메타 물질 (Metamaterial)은 자연에 존재하지 않지만 초박형 렌즈와 초소형 휴대 전화 안테나를 만들 수 있는 능력, 위성을 더 시원하게 유지하고 광전지가 더 많은 에너지를 흡수할 수 있도록 빛을 굴절시켜 그 소자들의 잠재성을 높인다.

일반적인 물질이 얻을 수 없는 방식으로 빛의 경로를 변경하기 위해 기판에 배열된 "원자" 역할을 하는 나노구조에 의해 형성된 이 대체 물질은 들어오는 광선을 조작하여 유비쿼터스 및 소중한 장치의 보다 효율적인 버전을 만들 수 있다. 이는 광학 필터, 레이저, 주파수 변환기 및 빔을 조종하는 장치 등이 있다.

그러나 메타 물질의 광범위한 상업적 사용은 이들을 구성하는 물질에 의해 부과된 한계에 의해 제한되어 왔다. 금속 기반 메타 물질은 더 짧은 파장에서 "손실" (에너지 손실)하고 레이더에 의해 사용되는 무선 주파수와 같은 저주파에서만 효과적으로 작동할 수 있으며 그 전에는 자체 흡수에 압도 당한다. 실리콘은 빛을 방출하지 않으며 좁은 작동 범위 (밴드 갭) 때문에 제한된 파장 범위에서만 투과할 수 있다. 따라서 어떤 종류의 물질도 대부분의 군사 및 상업적 응용인 적외선 및 광학 범위에서 작동하는 메타 물질을 생성할 수 없다.

샌디아 국립 연구소의 연구원들은 메타 물질의 구성 요소로서 III-V 반도체의 사용을 이끌고 있다. (III-V는 주기율표의 해당 열에있는 원소를 의미한다.) 샌디아 연구원은 갈륨 비소 및 알루미늄 비화물과 같은 재료를 사용한 연구에 대해 지난 해 3 건을 포함하여 기술 논문을 발표했다. 실리콘보다 넓은 밴드 갭 범위를 갖는 광 메타 물질 응용 분야. 이 연구는 2 개의 기술 저널의 표지에 게재될 만큼 충분히 유망하다.

"III-V 반도체를 사용하는 모든 유전체 메타 물질에 대한 연구는 전 세계적으로 거의 없다"고 말한 샌디아 연구원인 이갤 브레너 (Igal Brener) 박사는 연구원 마이크 신클레어 (Mike Sinclair) 박사와 셍 리우 (Sheng Liu) 박사와 함께 샌디아 연구를 이끌었다. 또한 그는 "우리의 장점은 성장과 공정 모두에서 샌디아가 III-V 기술에 폭넓게 액세스할 수 있다는 것이다. 따라서 빠르게 이전할 수 있다"라고 말했다.

새로운 샌디아 유전체 재료-일종의 전기 절연체-는 단순한 효율성 이상을 제공한다. 그들은 들어오는 에너지를 거의 잃지 않고 여러 층으로 제조되여 복잡한 금 원자를 형성하여 반짝이는 금 표면보다 더 많은 빛을 반사한다. 일반적으로 적외선 반사율로 간주된다. 또한 III-V 물질은 들뜰 때 광자를 방출한다. 반사, 투과 및 흡수할 수 있는 실리콘은 할 수 없는 것이다.

또 하나의 장점은 색상 스펙트럼에 걸쳐 매우 가변적인 출력이 있기 때문에 레이저의 파장 범위를 확장하거나 양자 컴퓨팅을 위해 "얽힌 광자"를 생성하는 데 사용될 수 있다는 것이다.

샌디아의 접근법은 또한 메타 물질의 핵심인 공명기로 알려진 인공 원자를 형성하는 상대적으로 간단한 방법으로 매력적이다.

리우 (Liu) 박사의 감독하에 창조된 메타 원자는 직경이 수백 나노 미터이고 많은 실제 원자로 만들어져 있다. 리우 박사의 향상은 주변부에서 이러한 작은 그룹을 산화시켜 보다 값 비싸고 시간 소모적인 "플립 칩" 본딩 프로세스를 사용하는 대신 굴절률이 낮은 계층화된 코팅을 만드는 것이었다. 이전 방법의 복잡성은 비용 및 시간 효율성에 장애가 되었다. 그는 다른 샌디아 연구원들은 메타 물질이 아닌 레이저를 만들기 위해 이전에 단순화된 변형을 사용했다고 말했다.

리우 박사는 산화된 저 굴절률 표면이 고 지수 코어를 감싸고 있다고 말했다. 그는 "빛을 가두려면 높은 굴절률 대비가 필요하다"라고 전했다. 달리 말하자면, 낮은 굴절률의 산화물 표면에 부딪히는 실내의 빛은 굴절률 차에 의해 뒤로 되돌아 고 굴절률 코어를 따라 이동한다.

리우 박사의 샌디아 동료 인 고든 킬러 (Gordon Keeler) 박사는 III-V 물질을 뜨거운 오븐에 넣고 시료 위에 수증기를 흘려 제어 산화를 수행했다. "그것은 일정 비율로 산화 될 것"이라고 리우 박사가 말했다. 재료가 많을수록 오래 걸린다.

인공 메타 원자는 리소그래피 과정에서 조각으로 만들어져 연구자가 메타 물질 구성 요소의 배치를 위해 선택한 패턴을 만들 수 있다. "우리는 시뮬레이션을 사용하여 메타 물질 배치를 한다"고 리우 박사는 말했다. 간격은 인공 원자의 크기에 의해 어느 정도 결정된다.

깨진 입방체 나노 구조는 비정상적으로 많은 양의 에너지를 저장한다.

연구진은 원통형 및 입방형 나노 구조를 실험하여 보다 나은 특성을 얻기 위해 후자의 대칭성을 감소시켰다.

"실린더는 제작하기가 훨씬 쉬우며 일반적으로 기존의 메타 표면에 사용할 수 있다"라고 브레너 박사가 말했다. 또한 그는 "그러나 깨진 대칭 큐브는 매우 날카로운 공명을 얻기 위해 중요하다. 그게 이 논문의 핵심 쟁점이다"라고 말했다.

의도적으로 입방형 공진기 나노 구조의 대칭성을 줄이려는 의도는 5 ~ 6 년 전인 것으로 싱클레어 박사는 팀이 특정 제조 결함을 모방하려할 때 메타 원자의 의도적으로 대칭인 모양을 깨뜨린 우연한 디자인에서 찾을 수 있다.

"우리가 마이크로파를 넘어서 적외선 및 광학 메타 물질로 나아갈 수 있는지 알아보기 위해 처음으로 입방형 공진기를 제작할 때 실험실에서 수행한 연구 및 개발 [LDRD]에서 우리는 공진기의 형태로 만들려고 했다. 한 시뮬레이션에서 우연히 입방체의 한 모서리를 자르고 급격히 매우 예리한 반사 밴드가 나타났다"라고 신클레어 박사가 말했다.

그 발견 이전에, 유전체 공진기 메타 물질은 많은 에너지를 포획하지 않는 넓은 밴드 만을 보여 주었다. 연구자들은 새로운 날카로운 공진이 에너지 저장을 더 많이 허용한다는 것을 발견했다. 이는 효율적인 주파수 변환에 유리하고, 심지어는 빛 방출과 레이징에도 도움이 된다.

주름진 공진기의 탐사는 에너지 부의 과학 사무실이 후원하는 이후 프로젝트를 기다려야 했다. 로레나 바실리오 (Lorena Basilio), 래리 원 (Larry Warne) 및 윌리엄 랭스톤 (William Langston)의 이전 연구를 기반으로 한 살바토르 챔피온 (Salvatore Campione)은 전자기 시뮬레이션을 사용하여 큐브가 빛을 어떻게 잡아 당기는지를 정확하게 분석했다. 샌디아의 윌리 루크 (Willie Luk) 박사는 큐브의 반사 특성을 측정했다. 다른 LDRD 보조금은 현재 메타 물질 레이저 조사에 대한 연구를 지원한다.

"여러 종류의 장치에 대해 매우 유연한 플랫폼을 만들었다"라고 신클레어 박사가 말했다.

진행중인 연구는 III-V 웨이퍼에 기여한 극히 정밀한 결정 구조를 성장시키는 것으로 유명한 샌디아의 존 레노 (John Reno) 박사의 도움을 받고 있다.

연구의 측면에 관한 3 건의 특허가 제출되었다.

샌디아 연구원이 이끄는 세 가지 논문은 나노 레터 (Nanoletters), "Resonantly Enhanced Second-Harmonic Generation Using III-V Semiconductor All-Dielectric Metasurfaces", 어드밴스드 옵티칼 머터리얼스 , "Dielectric Resonators: III–V Semiconductor Nanoresonators—A New Strategy for Passive, Active, and Nonlinear All-Dielectric Metamaterials", ACS Photonics, "Broken Symmetry Dielectric Resonators for High Quality Factor Fano Metasurfaces"이다.