Un groupe scientifique international composé de scientifiques de NUST «MISiS» et de l'Université polytechnique de Turin a développé un nouveau modèle de métamatériaux qui améliorera la précision des nanocapteurs en optique et en biomédecine en les masquant du rayonnement externe. Un article sur les résultats de l'étude a été publié dans la revue Scientific Reports .Le développement d'un modèle de nouveaux nanocapteurs de masquage des métamatériaux est réalisé dans le cadre du projet russo-italien ANASTASIA (Advanced Non-rayating Architectures Scattering Tenuously And Sustaining Invisible Anapoles), dont le but est de modéliser puis recréer un tel métamatériau qui rendrait les objets invisibles à l'échelle nanométrique dans toutes les gammes de vagues.
«Cacher un gros objet est en fait plus facile qu'un petit», explique un étudiant diplômé du laboratoire des supraconducteurs sur les métamatériaux de NUST MISiS et l'auteur principal de l'article, Anar Ospanova. - Il existe différentes techniques de camouflage et technologies furtives. Mais lorsque nous traitons d'objets à l'échelle nanométrique - par exemple, les aiguilles de capteur en biomédecine ou en physique, la situation devient plus compliquée. Habituellement, les nanocapteurs sont proportionnels aux objets étudiés.Par conséquent, lorsqu'ils pénètrent dans le milieu, ils l'influencent très fortement - ils modifient la pression à l'intérieur, diffusent le rayonnement et il devient difficile de comprendre où les caractéristiques de l'aiguille et où sont les caractéristiques de l'objet lui-même. Nous avons décidé de "cacher" le rayonnement des nanocapteurs et ainsi augmenter la précision de leur travail. "
L'élément principal du métamatériau modélisé par les scientifiques est une métamolécule, composée de quatre cylindres-diélectriques en tantalate de lithium - LiTaO3 - avec un rayon de 5 μm. Formant une sorte de coque pour le nanocapteur, les diélectriques interagissent avec le rayonnement et l'état dit d'anapole, un diffuseur non rayonnant, apparaît. (fig.1). En conséquence, l'objet devient invisible pour un observateur externe (Fig. 2 c). Individuellement, tous les éléments - un nanocapteur et des diélectriques - diffusent le rayonnement et déforment fortement l'image des champs électriques et magnétiques (Fig. 2 a, b).
Figure 1 -
visualisation d'une métamolécule composée d'un nanocapteur - un cylindre-conducteur métallique (au centre) et de quatre cylindres-diélectriques (le long des bords), où P est le moment dipolaire électrique du conducteur, T est le moment toroïdal de la gaine diélectrique.
Figure 2 -
visualisation du rayonnement visible des éléments à l'extérieur de la métamolécule et sous la forme d'une métamolécule, où (a) est l'élément central sans coque; (b) - éléments de coque sans élément central; (c) est l'élément central de la coque.Pour les calculs, nous avons utilisé un conducteur métallique d'un rayon de 2,5 μm, simulant un nanocapteur et ayant une diffusion d'ondes très élevée, ce qui nous a permis d'effectuer des calculs pour le niveau de rayonnement le plus élevé possible. La simulation a eu lieu dans la gamme térahertz, entre les gammes infrarouge et micro-ondes.
Les scientifiques ont utilisé LiTaO3 - tantalate de lithium comme matériau de la métamolécule, bien que d'autres matériaux puissent être utilisés en fonction du champ d'application. En nanooptique, par exemple, il sera possible de travailler avec du silicium et du germanium.
Selon le chef du projet ANASTASIA de la part de NUST «MISiS», professeur agrégé Alexei Basharin, le métamatériau créé a des perspectives d'utilisation en biomédecine, par exemple, en raison de l'utilisation de chlorure de potassium compatible avec le corps humain comme coquille.
«Il y a un certain nombre de cas où vous devez vous assurer que l'objet n'interagit pas avec la lumière - par exemple, lors de la livraison de médicaments à l'échelle nanométrique. Notre objectif ultime est de créer une métamolécule dans laquelle se produira la diffusion de l'objet et de sa coquille, se neutralisant et rendant l'objet invisible dans la gamme d'ondes correspondante », - Alexey Basharin.
La prochaine étape de l'étude - la création expérimentale de la structure proposée dans des conditions de laboratoire - est prévue pour l'automne 2018.
À l'heure actuelle, une expérience a été acquise dans la création de matériaux et d'objets qui sont transparents à une gamme très étroite de rayonnement et ne cachent des objets que sous un certain angle. La tâche assignée par les participants au projet ANASTASIA est de généraliser l'expérience de création de telles structures et de développer une théorie avec laquelle il sera possible de modéliser puis de créer des métamatériaux qui cachent des objets sous n'importe quel angle et dans une large gamme.