Udformning af lysets fremtid gennem rekonfigurerbare metaoverflader

Den teknologiske udvikling af optiske linser har længe været en væsentlig markør for menneskelig videnskabelig præstation. Briller, teleskoper, kameraer og mikroskoper har alle bogstaveligt og billedligt talt givet os mulighed for at se verden i et nyt lys. Linser er også en grundlæggende komponent i fremstillingen af ​​nanoelektronik i halvlederindustrien.

Et af de mest virkningsfulde gennembrud inden for linseteknologi i nyere historie har været udviklingen af ​​fotoniske metasurfaces - kunstigt konstruerede materialer i nanoskala med bemærkelsesværdige optiske egenskaber. Georgia Tech-forskere på forkant med denne teknologi har for nylig demonstreret den første nogensinde elektrisk afstembare fotoniske metasurface-platform i en nylig undersøgelse offentliggjort af Nature Communications .

"Metasurfaces kan gøre de optiske systemer meget tynde, og efterhånden som de bliver nemmere at kontrollere og tune, vil du snart finde dem i mobiltelefonkameraer og lignende elektroniske billedsystemer," siger Ali Adibi, professor ved School of Electrical and Computer Engineering ved Georgia Institute of Technology.

De udtalte justeringstiltag opnået gennem den nye platform repræsenterer et kritisk fremskridt i retning af udviklingen af ​​miniaturiserede rekonfigurerbare metasurfaces. Resultaterne af undersøgelsen har vist en rekord elleve gange ændring i de reflekterende egenskaber, et stort udvalg af spektral tuning til drift og meget hurtigere tuning hastighed.

Opvarmning af metasurflader

Metasurfaces er en klasse af nanofotoniske materialer, hvor en lang række miniaturiserede elementer er konstrueret til at påvirke transmissionen og refleksionen af ​​lys ved forskellige frekvenser på en kontrolleret måde.

"Når man ser under meget stærke mikroskoper, ligner metasurfaces en periodisk række af indlæg," sagde Adibi. "Den bedste analogi ville være at tænke på et LEGO-mønster dannet ved at forbinde mange lignende LEGO-klodser ved siden af ​​hinanden."

Siden deres begyndelse er metasurfaces blevet brugt til at demonstrere, at meget tynde optiske enheder kan påvirke lysudbredelsen med metalenses (dannelsen af ​​tynde linser) som den mest udviklede applikation.

På trods af imponerende fremskridt er de fleste demonstrerede metasurfaces passive, hvilket betyder, at deres ydeevne ikke kan ændres (eller justeres) efter fremstilling. Arbejdet præsenteret af Adibi og hans team, ledet af ph.d. kandidat Sajjad Abdollahramezani, anvender elektrisk varme til en særlig klasse af nanofotoniske materialer for at skabe en platform, der kan gøre det nemt at fremstille rekonfigurerbare metaoverflader med høje niveauer af optisk modulation.

PCM'er giver svaret

En lang række materialer kan bruges til at danne metaoverflader, herunder metaller, oxider og halvledere, men Abdollahramezani og Adibis forskning fokuserer på faseændringsmaterialer (PCM'er), fordi de kan danne de mest effektive strukturer med de mindste egenskabsstørrelser. PCM'er er stoffer, der absorberer og frigiver varme under processen med opvarmning og afkøling. De kaldes "fase-ændring" materialer, fordi de går fra en krystallisationstilstand til en anden under den termiske cyklusproces. Vand, der skifter fra en væske til et fast stof eller gas er det mest almindelige eksempel.

Georgia Tech-teamets eksperimenter er væsentligt mere komplicerede end opvarmning og frysning af vand. Ved at vide, at de optiske egenskaber af PCM'er kan ændres ved lokal opvarmning, har de udnyttet det fulde potentiale af PCM-legeringen Ge₂ Sb₂ Te₅ (GST), som er en forbindelse af germanium, antimon og tellur.

Ved at kombinere det optiske design med en miniaturiseret elektrisk mikrovarmer nedenunder, kan teamet ændre den krystallinske fase af GST for at gøre aktiv tuning af metasurface-enheden mulig. De fremstillede metasurfaces er udviklet på Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology (IEN) og testet i karakteriseringslaboratorier ved at belyse de rekonfigurerbare metasurfaces med laserlys ved forskellige frekvenser og måle egenskaberne af det reflekterede lys i realtid.

Hvad tunable metasurfaces betyder for fremtiden

Drevet af enhedsminiaturisering og systemintegration, såvel som deres evne til selektivt at reflektere forskellige lysfarver, erstatter metaoverflader hurtigt fortidens omfangsrige optiske samlinger. Øjeblikkelig indvirkning på teknologier som LiDAR-systemer til autonome biler, billeddannelse, spektroskopi og sensing forventes.

Med yderligere udvikling kan mere aggressive applikationer som computing, augmented reality, fotoniske chips til kunstig intelligens og biohazard-detektion også forestilles, ifølge Abdollahramezani og Adibi.

"Efterhånden som platformen fortsætter med at udvikle sig, vil rekonfigurerbare metasurfaces blive fundet overalt," sagde Adibi. "De vil endda give mindre endoskoper mulighed for at gå dybt inde i kroppen for bedre billeddannelse og hjælpe medicinske sensorer med at opdage forskellige biomarkører i blodet." + Udforsk yderligere

Dynamiske metasurfaces og metadevices understøttet af grafen