een vakgebied van materiaalkunde, bekend als metamaterialen, heeft onlangs de verbeelding gekoesterd van ingenieurs die hopen optische apparaten op nanoschaal te maken. Jonathan Fan, Universitair Docent Elektrotechniek en directeur van de ExFab aan de Stanford Nanofabrication Facility, loopt voorop. Hij won onlangs de prestigieuze 2016 Packard Fellowship in Science and Engineering, die de meest veelbelovende jonge professoren financiert op gebieden variërend van natuurkunde en scheikunde tot engineering. Fan is nog maar de vierde elektrotechnicus van Stanford die de fellowship heeft gewonnen sinds 1988, en de financiële steun die daarmee gepaard gaat zal hem in staat stellen om werk voort te zetten dat zo innovatief is dat het anders moeilijk kan blijken om te financieren met traditionele middelen. We spraken met Fan over zijn visies in metamaterial engineering en over zijn interdisciplinaire samenwerkingen met collega Stanford professoren Allison Okamura en Sean Follmer in projecten zoals het integreren van nieuwe soorten elektromagnetische systemen met robots.

Wat zijn metamaterialen?

op het meest basale niveau brengen we het idee van een antenne naar de nanoschaal. Terug in de dag voor kabel en satelliet, tv ‘ s hadden metalen antennes. Als je foto niet erg goed was, zou je opstaan en de antenne-geometrie fysiek opnieuw configureren om de prestaties te veranderen. Die antennes waren ontworpen voor radiogolven die centimeters tot meters lang waren. We werken aan antennes op nanoschaal die kunnen reageren op Zichtbaar licht met golflengten van 400 tot 700 nanometer, of infrarood licht, waar golflengten in de Orde van een micron zijn. Door de geometrie van deze antennes individueel en in collecties te configureren, kunnen we systemen ontwikkelen die op geheel nieuwe manieren kunnen interageren met en manipuleren van licht.

deze kleine antennes zijn vele ordes van grootte kleiner dan een TV-antenne. Gelukkig heeft de ontwikkeling van het moderne platform voor Elektronische geïntegreerde schakelingen in de afgelopen halve eeuw volwassen technologische processen opgeleverd die ons kunnen helpen om eigenschappen op nanoschaal te definiëren. We gebruiken dezelfde patroontechnologieën om deze antennes op nanoschaal te maken. Dat is het basisoverzicht.

Wat is de afleiding van de term “meta” in de naam metamaterialen?

als je aan een conventionele lens denkt, denk je aan glas – het materiaal, toch? Het glas in uw camera of bril buigt licht op zeer voorspelbare manieren op basis van de intrinsieke materiaalrespons van glas. Een lens van een metamateriaal reageert op licht op een manier die niet langer uitsluitend gebaseerd is op de eigenschappen van het materiaal zelf, maar grotendeels op het ontwerp en de lay-out van deze optische antennes. Het concept van ‘meta’ komt dus voort uit ons vermogen om kunstmatige materialen te ontwerpen, bestaande uit een composiet van nanoschaal structuren, die op geheel nieuwe manieren op licht kunnen reageren. Het is wel leuk om een voorbeeld te zien in het geval van een metaal als goud. We denken meestal aan goud als een bulk materiaal dat reflecterend, gelig en glanzend is. Zelfs op nanoschaal is goud nog steeds goud. Maar door de geometrie van goud op nanoschaal te specificeren, kunnen we de kleur van goud veranderen van geel naar groen of rood, en het kan vele andere soorten optische eigenschappen ondersteunen die we niet associëren met bulkgoud. Dat zijn eigenschappen die ingenieurs kunnen gebruiken om nieuwe apparaten te maken.

wat staan metamaterialen ons toe om te doen wat we voorheen niet konden?

metamaterialen zijn veelbelovend om een aantal redenen. Ten eerste maken ze de extreme miniaturisatie van bestaande optische apparaten mogelijk. We kunnen bijvoorbeeld een brillens nemen en die 100 keer dunner maken dan een haar. Dit stelt ons in staat om traditioneel omvangrijke optische systemen te vertalen naar extreem kleine vormfactoren. Ten tweede kunnen ze worden aangepast om nieuwe eigenschappen te ondersteunen die momenteel niet toegankelijk zijn met bestaande optische hardware, wat leidt tot geheel nieuwe optische systemen.

Wat is een voorbeeld van een potentieel metamateriaal apparaat?

een grote kans vandaag ontstaat door het feit dat camera ‘ s met hoge resolutie zijn geminiaturiseerd tot groottes die op mobiele telefoons passen, waardoor ze toegankelijk zijn voor een miljoen keer groter publiek dan voorheen. Een deel van mijn Grotere onderzoeksvraag is: is er iets meer dat we kunnen doen met beeldvormende systemen met vormfactoren van een mobiele telefooncamera? Er is zoveel informatie in het inkomende Lichtveld dat momenteel niet wordt vastgelegd door een mobiele telefooncamera, maar dat kan worden vastgelegd met beeldvormingssystemen die metamaterialen bevatten. Toegang tot deze aanvullende informatie kan veranderen hoe we de beelden die we maken gebruiken. Als u bijvoorbeeld een huidaandoening hebt, kan veel meer optische informatie van de huid worden geëxtraheerd uit een eenvoudig mobielbeeld en worden gebruikt om uw conditie beter te beoordelen.

Wat windt u op over metamaterialen?

metamaterialen leiden ons naar een geheel andere set van vragen – metaquestions, als je wilt. Bijvoorbeeld, zijn deze nanoantennas wel de beste manier om te doen wat we willen doen? Op dit moment is zelfs dat niet duidelijk. Daarnaast krijg je de grote vragen van toepassingen voor deze materialen en apparaten. Het is gewoon wijd open. Daarom vind ik dit spannend.

enige vroege indrukken om te delen als een nieuw lid van de faculteit?Stanford is een heel bijzondere plek. De mensen zijn top-notch en de omgeving is zeer collaboratief, Niet geïsoleerd. Als voorbeeld, Ik heb onlangs uitgebreid naar robotica, waar ik op zoek ben geweest om concepten toe te passen in radiofrequentiegolven om slimmere zachte robotsystemen te creëren. In deze inspanning ben ik een samenwerking gestart met Allison Okamura en Sean Follmer, werktuigbouwkundigen. Het was fantastisch tot nu toe, en ik heb zoveel geleerd. Mensen hier zijn zeer open-minded en zijn geïnspireerd om spannend interdisciplinair onderzoek te doen om grote problemen te identificeren en op te lossen. Ik ben blij om daar deel van uit te maken.