Tunable metasurface er beslægtet med optisk schweizerkniv

MIT ingeniører og kolleger rapporterer om vigtige nye fremskridt på en justerbar metasurface, eller flad optisk enhed mønstret med strukturer i nanoskala, at de sammenlignes med en schweizisk hærkniv, mens dens passive forgænger kun kan opfattes som ét værktøj, som en flad skruetrækker. Nøglen til arbejdet er et gennemsigtigt materiale opdaget af holdet, som hurtigt og reversibelt ændrer sin atomare struktur som reaktion på varme.

"De applikationer, der åbnes op af evnen til hurtigt at omkonfigurere metasurfaces, er enorme, " siger Yifei Zhang, første forfatter til et papir, der rapporterer de seneste fremskridt i et nyligt nummer af Natur nanoteknologi . Zhang er en kandidatstuderende ved Institut for Materialevidenskab og Engineering (DMSE). "Vi er begejstrede, fordi det nuværende arbejde overvinder adskillige forhindringer for at implementere disse metasurfaces i applikationer i den virkelige verden."

Det siger lektor Arka Majumdar fra University of Washington, Seattle, af disse applikationer:"Jeg forestiller mig [at] denne teknologi kunne revolutionere optiske neurale netværk, dybdeføling, og Lidar-teknologi til autonome biler." Majumdar var ikke involveret i forskningen.

Elektrisk afbryder

I den Natur nanoteknologi papir, MIT-forskerne beskriver brugen af ​​elektriske strømme til reversibelt at ændre materialestrukturen - og derfor optiske egenskaber - af den nye metaoverflade. I fortiden, de brugte voluminøse lasere eller en ovn til at levere den nødvendige varme. "Dette er vigtigt, fordi vi nu kan integrere hele den aktive optiske enhed, sammen med den elektriske kontakt, på en siliciumchip for at danne en miniaturiseret optisk platform, " siger Juejun Hu, leder af arbejdet og en lektor i materialevidenskab og teknik i DMSE.

Holdet rapporterer også, at de demonstrerer "en række af justerbare optiske funktioner ved hjælp af platformen, " siger Hu. Disse omfatter en strålestyringsanordning, hvor "ved at skifte materialet til forskellige [indre] strukturer, vi kan sende lys i én retning mod en anden, frem og tilbage." Strålestyring er nøglen til selvkørende biler, selvom Hu understreger, at den enhed, han og hans kolleger demonstrerede, stadig er ret rudimentær. "Det er mere et principbevis."

Ud over Zhang og Hu, forfattere af det nye papir er Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios, og Tian Gu, hele MIT DMSE; Clayton Fowler, Sensong An, og Hualiang Zhang fra University of Massachusetts, Lowell; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, og Vladimir Liberman fra MIT Lincoln Laboratory; Myungkoo Kang og Kathleen A. Richardson fra University of Central Florida, og Clara Rivero-Baleine fra Lockheed Martin Corporation. Hu og Gu er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

Et nyt materiale

Faseændringsmaterialer (PCM'er) ændrer deres struktur som reaktion på varme. De bruges kommercielt i genskrivbare cd'er og dvd'er. Forklarer Hu, "en laserstråle ændrer materialets struktur lokalt, fra amorf til krystallinsk, og den ændring kan bruges til at kode etaller og nuller – digital information."

Imidlertid, konventionelle PCM'er har begrænsninger, når det kommer til optiske applikationer. For en, de er uigennemsigtige. De vil ikke lade lys passere igennem. "Det motiverede os til at undersøge et nyt faseændringsmateriale til optiske enheder, der er gennemsigtigt, " siger Hu. Tidligere i år rapporterede hans team, at tilføjelse af et andet element, selen, til en konventionel PCM gjorde tricket.

Det nye materiale, sammensat af germanium, selen, antimon, og tellur (GSST), er nøglen til den nye metaflade. Metafladen, på tur, er ikke bare en tynd film af GSST, det er en film af GSST kun omkring en halv millimeter kvadratisk mønstret med omkring 100, 000 nanoskala strukturer. Og disse, på tur, "giver dig mulighed for at kontrollere udbredelsen af ​​lys. Så du kan transformere en samling af disse nanostrukturer til, for eksempel, en linse, " siger Hu.

Harish Bhaskaran er professor ved University of Oxford, som ikke var involveret i forskningen. Han kommenterede arbejdet som helhed og de fremskridt, der blev rapporteret i det nye papir:

"Dette er et meget vigtigt arbejdsområde, da sådanne afstembare metasurfacer, dvs. overflader, der kan modulere refleksionen af ​​lys, selvom de nominelt er 'flade' eller meget tynde, er yderst interessante. De kan dramatisk reducere hovedparten af ​​linser, som selvfølgelig bruges i alt, der manipulerer lys. [MIT's] brug af faseændringsmaterialer med lavt tab (dvs. de absorberer meget lidt lys) giver en rigtig vej mod at gøre dette til en realitet. Forfatterne er også blandt de første til at vise den dynamiske tuning ved hjælp af varmeapparater, der styres elektrisk." (I samme nummer af Natur nanoteknologi et hold fra Stanford rapporterer også, at de kontrollerer metaoverflader med elektrisk opvarmning ved hjælp af en anden tilgang.)

Ifølge en News &Views-artikel i samme nummer af Natur nanoteknologi om MIT og Stanford fremskridt, "disse værker gør et gennembrud i de tunbare PCM-baserede metasurfaces." Imidlertid, News &Views-forfatterne understreger, at begge tilgange har ulemper.

Hu-teamet løser nogle af disse ulemper. For eksempel, varmelegemet, der bruges i deres miniaturiserede optikplatform, er i øjeblikket lavet af metal. Men "metaller er problematiske for optik, fordi de absorberer lys, " siger Hu. "Vi arbejder på et nyt varmelegeme lavet af silicium, der er gennemsigtigt."

Hu beskriver arbejdet generelt som særligt spændende, fordi det begyndte med opdagelsen af ​​et nyt materiale, som teamet derefter konstruerede til en ny anvendelse. "Dette går på tværs fra materialeinnovation til enhedsintegration, hvilket jeg synes er ret unikt."

Arbejdet blev støttet af US Defense Advanced Research Projects Agency og US Air Force. Forskerne anerkender også brugen af ​​faciliteter leveret af MIT Materials Research Laboratory, MIT Microsystems Technology Laboratories, og Harvard University Center for Nanoscale Systems.