Et felt av materialvitenskap kjent som metamaterials har nylig fanget fantasien til ingeniører håper å skape nanoskala optiske enheter. Jonathan Fan, en assisterende professor i elektroteknikk og direktør For ExFab ved Stanford Nanofabrication Facility, leder veien. Han vant Nylig det prestisjetunge 2016 Packard Fellowship in Science And Engineering, som finansierer de mest lovende professorene i tidlig karriere innen felt som spenner fra fysikk og kjemi til ingeniørfag. Fan er bare den fjerde Stanford elektroingeniør for å vinne fellesskapet siden 1988, og den økonomiske støtten som følger med det, vil gjøre det mulig for ham å fortsette arbeid som er så nyskapende at det ellers kan vise seg vanskelig å finansiere gjennom tradisjonelle midler. Vi snakket Med Fan om hans visjoner i metamaterial engineering og om hans tverrfaglige samarbeid med Andre Stanford professorer Allison Okamura og Sean Follmer i prosjekter som integrering av nye typer elektromagnetiske systemer med roboter.

Hva er metamaterialer?på sitt mest grunnleggende nivå bringer vi ideen om en antenne ned til nanoskalaen. Tilbake på dagen før kabel og satellitt hadde Tver metallantenner. Hvis bildet ikke var veldig bra, ville du stå opp og fysisk omkonfigurere antennegeometrien for å endre ytelsen. Disse antennene ble designet for radiobølger som var centimeter til meter i lengde. Vi jobber med å skape nanoskalaantenner som vil kunne reagere på synlig lys med bølgelengder på 400 til 700 nanometer, eller infrarødt lys, hvor bølgelengder er i størrelsesorden en mikron. Ved å konfigurere geometrien til disse antennene individuelt og i samlinger, kan vi konstruere systemer som kan samhandle med og manipulere lys på helt nye måter.

disse små antennene er mange størrelsesordener mindre enn EN tv-antenne. Heldigvis har utviklingen av den moderne elektroniske integrerte kretsplattformen i løpet av det siste halve århundre produsert modne teknologiske prosesser som kan hjelpe oss med å definere nanoskala-funksjoner. Vi bruker de samme mønsterteknologiene for å lage disse nanoskalaantennene. Det er den grunnleggende oversikten.

Hva er avledningen av begrepet «meta» i navnet metamaterials?

når du tenker på en konvensjonell linse, tenker du på glass-materialet, ikke sant? Glasset i kameraet eller brillene dine bøyer lyset på svært forutsigbare måter basert på glassets iboende materialrespons. En linse laget av et metamateriale vil reagere på lys på måter som ikke lenger utelukkende er basert på materialets egenskaper, men i stor grad på design og utforming av disse optiske antennene. Så begrepet «meta» kommer fra vår evne til å konstruere kunstige materialer, som består av et kompositt av nanoskala strukturer, som kan reagere på lys på helt nye måter. Det er litt pent å se et eksempel i tilfelle av et metall som gull. Vi tenker vanligvis på gull som et bulkmateriale som er reflekterende, gulaktig og skinnende. Selv når du går ned til nanoskalaen, er gull fortsatt gull. Men ved å spesifisere geometrien av nanoskala gull, kan vi endre fargen på gull fra gul til grønn eller rød, og det kan støtte mange andre typer optiske egenskaper som vi ikke forbinder med bulk gull. Det er egenskaper ingeniører kan bruke til å lage nye enheter.

hva gjør metamaterials tillate oss å gjøre det vi ikke kunne før?

Metamaterials er lovende av et par grunner. For det første muliggjør de ekstrem miniatyrisering av eksisterende optiske enheter. For eksempel kan vi ta et brilleglass og vi kan gjøre det 100 ganger tynnere enn et hårstrå. Dette gjør at vi kan oversette tradisjonelt store optiske systemer til ekstremt små formfaktorer. For det andre kan de tilpasses for å støtte nye egenskaper som for tiden ikke er tilgjengelige med eksisterende optisk maskinvare, noe som fører til helt nye optiske systemer.

Hva er et eksempel på en potensiell metamaterial-enhet?en stor mulighet i dag stammer fra det faktum at høyoppløselige kameraer har miniatyrisert til størrelser som kan passe på mobiltelefoner, noe som gjør dem tilgjengelige for publikum en million ganger større enn før. En del av mitt større forskningsspørsmål er: Er det noe mer vi kan gjøre med bildesystemer med formfaktorer av et mobiltelefonkamera? Det er så mye informasjon i det innkommende lysfeltet som for øyeblikket ikke er fanget av et mobiltelefonkamera, men det kan fanges med bildesystemer som inkluderer metamaterialer. Tilgang til denne tilleggsinformasjonen kan endre hvordan vi bruker bildene vi tar. For eksempel, hvis du har en hudtilstand, kan mye mer optisk informasjon om huden trekkes ut fra et enkelt mobiltelefonbilde og brukes til å bedre vurdere tilstanden din.

Hva interesserer deg om metamaterialer?

Metamaterials fører oss til et helt annet sett med spørsmål-metaquestions, hvis du vil. For eksempel er disse nanoantennas selv den beste måten å gå om å gjøre det vi vil gjøre? På dette tidspunktet er selv det ikke klart. I tillegg kommer du til de store spørsmålene om applikasjoner for disse materialene og enhetene. Det er helt åpent. Det er derfor dette er spennende for meg.

Noen tidlige inntrykk å dele som ny ansatt?

Stanford er et veldig spesielt sted. Folk er top-notch og miljøet er svært samarbeidende, ikke siled. Som et eksempel har jeg nylig utvidet til robotikk, hvor jeg har vært ute etter å bruke konsepter i radiofrekvensbølger for å skape smartere myke robotsystemer. I denne innsatsen har jeg startet et samarbeid Med Allison Okamura og Sean Follmer, som er mekaniske ingeniører. Det har vært fantastisk så langt, og jeg har lært så mye. Folk her er veldig åpne og er inspirert til å gjøre spennende tverrfaglig forskning for å identifisere og løse store problemer. Jeg er glad for å være en del av det.