Ein Bereich der Materialwissenschaft, der als Metamaterialien bekannt ist, hat kürzlich die Fantasie von Ingenieuren beflügelt, die hoffen, optische Geräte im Nanobereich herzustellen. Jonathan Fan, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Direktor des ExFab an der Stanford Nanofabrication Facility, ist führend. Er hat kürzlich das prestigeträchtige Packard Fellowship in Science and Engineering 2016 gewonnen, mit dem die vielversprechendsten Nachwuchsprofessoren in Bereichen von Physik und Chemie bis hin zu Ingenieurwissenschaften gefördert werden. Fan ist erst der vierte Stanford-Elektroingenieur, der das Stipendium seit 1988 gewonnen hat, und die damit verbundene finanzielle Unterstützung wird es ihm ermöglichen, Arbeiten fortzusetzen, die so innovativ sind, dass es sich sonst als schwierig erweisen kann, sie mit traditionellen Mitteln zu finanzieren. Wir sprachen mit Fan über seine Visionen in der Metamaterialtechnik und über seine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit den Stanford-Professoren Allison Okamura und Sean Follmer bei Projekten wie der Integration neuartiger elektromagnetischer Systeme in Roboter.

Was sind Metamaterialien?

Auf der grundlegendsten Ebene bringen wir die Idee einer Antenne auf die Nanoskala. Zurück in den Tag vor Kabel und Satellit, Fernseher hatten Metallantennen. Wenn Ihr Bild nicht sehr gut wäre, würden Sie aufstehen und die Antennengeometrie physisch neu konfigurieren, um ihre Leistung zu ändern. Diese Antennen waren für Radiowellen mit einer Länge von Zentimetern bis Metern ausgelegt. Wir arbeiten daran, nanoskalige Antennen zu entwickeln, die auf sichtbares Licht mit Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometern oder Infrarotlicht mit Wellenlängen in der Größenordnung von einem Mikrometer reagieren können. Indem wir die Geometrie dieser Antennen einzeln und in Sammlungen konfigurieren, können wir Systeme entwickeln, die auf völlig neue Weise mit Licht interagieren und es manipulieren können.

Diese winzigen Antennen sind viele Größenordnungen kleiner als eine TV-Antenne. Glücklicherweise hat die Entwicklung der modernen elektronischen integrierten Schaltungsplattform im letzten halben Jahrhundert ausgereifte technologische Prozesse hervorgebracht, die uns helfen können, nanoskalige Merkmale zu definieren. Wir verwenden dieselben Mustertechnologien, um diese nanoskaligen Antennen herzustellen. Das ist der grundlegende Überblick.

Was ist die Ableitung des Begriffs „Meta“ im Namen metamaterials?

Wenn Sie an eine herkömmliche Linse denken, denken Sie an Glas – das Material, oder? Das Glas in Ihrer Kamera oder Ihrer Brille biegt das Licht auf sehr vorhersehbare Weise, basierend auf der intrinsischen Materialreaktion von Glas. Eine Linse aus einem Metamaterial reagiert auf Licht auf eine Weise, die nicht mehr nur auf den Eigenschaften des Materials selbst beruht, sondern weitgehend auf dem Design und Layout dieser optischen Antennen. Das Konzept von „Meta“ beruht also auf unserer Fähigkeit, künstliche Materialien zu entwickeln, die aus einem Verbund aus nanoskaligen Strukturen bestehen, die auf völlig neue Weise auf Licht reagieren können. Es ist irgendwie nett, ein Beispiel im Fall eines Metalls wie Gold zu sehen. Wir denken normalerweise an Gold als Schüttgut, das reflektierend, gelblich und glänzend ist. Selbst wenn Sie auf die Nanoskala gehen, ist Gold immer noch Gold. Aber indem wir die Geometrie von nanoskaligem Gold spezifizieren, können wir die Farbe von Gold von gelb zu grün oder rot ändern, und es kann viele andere Arten optische Eigenschaften stützen, die wir nicht mit Massengold verbinden. Dies sind Eigenschaften, mit denen Ingenieure neue Geräte herstellen können.

Was ermöglichen uns Metamaterialien, was wir vorher nicht konnten?

Metamaterialien sind aus mehreren Gründen vielversprechend. Erstens ermöglichen sie die extreme Miniaturisierung bestehender optischer Geräte. Zum Beispiel können wir ein Brillenglas nehmen und es 100 mal dünner machen als eine Haarsträhne. Dies ermöglicht es uns, traditionell sperrige optische Systeme in extrem kleine Formfaktoren zu übersetzen. Zweitens können sie angepasst werden, um neuartige Eigenschaften zu unterstützen, die derzeit mit vorhandener optischer Hardware nicht zugänglich sind, was zu völlig neuen optischen Systemen führt.

Was ist ein Beispiel für ein potentielles Metamaterial-Gerät?Eine große Chance ergibt sich heute aus der Tatsache, dass hochauflösende Kameras auf Größen miniaturisiert wurden, die auf Mobiltelefone passen und sie für ein millionenfach größeres Publikum zugänglich machen als zuvor. Ein Teil meiner größeren Forschungsfrage lautet: Können wir mit Bildgebungssystemen mit Formfaktoren einer Mobiltelefonkamera noch mehr tun? Es gibt so viele Informationen im einfallenden Lichtfeld, die derzeit nicht von einer Mobiltelefonkamera erfasst werden, die jedoch mit Bildgebungssystemen erfasst werden könnten, die Metamaterialien enthalten. Der Zugriff auf diese zusätzlichen Informationen kann die Verwendung der von uns aufgenommenen Bilder ändern. Zum Beispiel, wenn Sie einen Hautzustand haben, könnte viel mehr optische Informationen der Haut aus einem einfachen Handy-Bild extrahiert und verwendet werden, um Ihren Zustand besser zu beurteilen.

Was reizt dich an Metamaterialien?

Metamaterialien führen uns zu ganz anderen Fragen – Metafragen, wenn man so will. Sind diese Nanoantennen zum Beispiel überhaupt der beste Weg, um das zu tun, was wir tun wollen? An diesem Punkt in der Zeit, auch das ist nicht klar. Darüber hinaus erhalten Sie zu den großen Fragen der Anwendungen für diese Materialien und Geräte. Es ist nur weit offen. Deshalb ist das für mich aufregend.

Gibt es erste Eindrücke, die Sie als neues Fakultätsmitglied teilen können?

Stanford ist ein ganz besonderer Ort. Die Menschen sind erstklassig und die Umgebung ist sehr kooperativ, nicht isoliert. Als Beispiel habe ich kürzlich in die Robotik expandiert, wo ich Konzepte in Hochfrequenzwellen anwenden wollte, um intelligentere weiche Robotersysteme zu schaffen. In diesem Bestreben habe ich eine Zusammenarbeit mit Allison Okamura und Sean Follmer begonnen, die Maschinenbauingenieure sind. Es war bisher fantastisch und ich habe so viel gelernt. Die Menschen hier sind sehr aufgeschlossen und inspiriert, spannende interdisziplinäre Forschung zu betreiben, um große Probleme zu identifizieren und zu lösen. Ich bin begeistert, ein Teil davon zu sein.