Elektrisk afstembare metaoverflader ved hjælp af dobbelte epsilon-nær-nul-resonanser

I en ny udgivelse fra Opto-elektroniske fremskridt , Forskere ledet af professor Jinghua Teng fra Institute of Materials Research and Engineering, Agenturet for Videnskab, Teknologi og forskning (A*STAR), Singapore overvejer lysmodulation med ultrahøjt ekstinktionsforhold ved elektrisk afstembare metasurfaces.

Metasurfaces er den todimensionelle ækvivalent af metamaterialer, komponerer diskrete subbølgelængdestrukturer, besidder evnen til fuld kontrol over lysegenskaber, såsom amplitude, fase, spredning, momentum, og polarisering. Metasurfaces bruges i forskellige applikationer, der dækker elektromagnetiske spektre lige fra mikrobølger, terahertz, infrarød, synlig, til ultraviolet. Aktiv kontrol af lysets udbredelse i synlige og nær-infrarøde spektre har praktisk og grundlæggende betydning i autonome køretøjer, robotter, skærme, augmented og virtual reality, forbrugerelektronik, telekommunikation, og føleapparater. For at tune en metasurface, man kan ændre enten egenskaben for enhedscellerne eller dens omgivelser. Dette kunne gøres ved at anvende aktive materialer i metasfladen, som kan få deres egenskaber ændret ved en ekstern stimulus.

I denne artikel foreslår forfatterne en ny elektrisk afstembar metasurface til modulering af polariseret og upolariseret lys. Her, den tabsgivende karakter af indiumtinoxid (ITO) ved epsilon-nær-nul (ENZ) bølgelængde bruges til at designe en elektrisk afstembar metasurface absorber. Metasurface-enhedscellen er konstrueret af en cirkulær resonator, der omfatter to ITO-skiver og en perovskitbariumstrontiumtitanatfilm med høj dielektrisk konstant. ENZ-bølgelængden i akkumulerings- og udtømningslagene af ITO-skiver styres ved at påføre en enkelt forspænding. Koblingen af ​​magnetisk dipolresonans med ENZ-bølgelængden inde i akkumuleringslaget af ITO-film forårsager total absorption af reflekteret lys. Refleksionsamplituden kan opnå ~84 dB eller ~99,99% modulationsdybde i operationsbølgelængden på 820 nm ved en forspænding på -2,5 V. Desuden, metaoverfladen er ufølsom over for polariseringen af ​​det indfaldende lys på grund af det cirkulære design af resonatorer og det symmetriske design af forspændingsforbindelser.

Højhastigheds- og lysmodulering med højt ekstinktionsforhold med lavt strømforbrug ved nær-infrarødt spektrum har potentielle anvendelser i mange optiske systemer og enheder, herunder men ikke begrænset til optisk signalbehandling, spektroskopi, skifte, og lysdetektion og rækkevidde (LiDAR). Optisk chopper og lukker, lithium niobat modulator, flydende krystal dæmper, og fotoelastisk modulator er blandt de kommercielt tilgængelige enheder til at modulere lysintensiteten. Optisk chopper og lukker anvender mekaniske mekanismer, som er langsomme i hastighed og store i størrelse, samtidig med at de forbruger høj strøm. Lithium niobat modulator styres af elektrisk signal og har den højeste modulationshastighed op til 40 GHz, imidlertid, kræver højspænding. Fotoelastiske modulatorer bruger forskellige typer bulkkrystaller til forskellige operationelle bølgelængder, kræver høj elektrisk spænding og ekstra polarisatorer, som begrænser deres anvendelse. Liquid crystal beam lukker lider af meget lav omskiftningshastighed. Den foreslåede elektrisk indstillelige metasurface udnytter tabsbeskaffenheden af ​​indiumtinoxid (ITO) ved epsilon-nær-nul (ENZ) bølgelængde til at modulere intensiteten af ​​reflekteret lys, som kan opnå op til ~84 dB eller ~99,99% modulationsdybde ved en meget lav spænding på ±2,5 Volt. Metasurface-modulatoren er ufølsom over for polariseringen af ​​det indfaldende lys og dermed velegnet til et kompakt design uden behov for ekstra polarisatorer. I øvrigt, den elektrisk indstillelige metasurface med dobbelt ITO-filmdesign er i stand til at fungere ved gigahertz-kommuteringshastigheder.