Оформяне на бъдещето на светлината с преконфигурируеми метаповърхности

(I) Изображение на изработената проба, монтирана върху керамичен чип носител, (II) наклонено фалшиво цветно SEM изображение на мета-превключвателя, включително микронагревателя и метаповърхността с промяна на фазата, и (III) изгледа от птичи поглед изглед на мета-атомна решетка. (IV) Наклонено SEM изображение с фалшив цвят на мета-превключвателя, включително микронагревателя и 50 μm метаповърхност с фазова промяна. Кредит: Georgia Tech

Технологичният напредък на оптичните лещи отдавна е важен маркер за човешките научни постижения. Очила, телескопи, камери и микроскопи ни позволиха в буквален и преносен смисъл да видим света в нова светлина. Лещите също са основна част от производството на наноелектроника от полупроводниковата индустрия.

Един от най-значимите пробиви в технологията за лещи в най-новата история е разработването на фотонни метаповърхности, изкуствено създадени наномащабни материали със забележителни оптични свойства. Изследователите от Georgia Tech, които са в челните редици на тази технология, наскоро демонстрираха първата по рода си електрически регулируема фотонна метаповърхностна платформа в скорошно проучване, публикувано от Комуникация с природата.

„Метаповърхностите могат да направят оптичните системи много тънки и тъй като стават по-лесни за управление и настройка, скоро ще ги намерите в камерите на мобилни телефони и подобни електронни системи за изображения“, каза Али Адиби, професор в Училището по електротехника и компютърно инженерство. в Технологичния институт на Джорджия.

Изразените мерки за настройка, постигнати с новата платформа, представляват критична стъпка към разработването на миниатюрни преконфигурируеми метаповърхности. Резултатите от проучването показват рекордна единадесеткратна промяна в отразяващите свойства, широк диапазон на спектрална настройка за работа и много по-бърза скорост на настройка.

Загрейте метаповърхностите

Метаповърхностите са клас нанофотонни материали, в които са проектирани широка гама от миниатюрни елементи, за да влияят на предаването и отразяването на светлината с различни честоти по контролиран начин.

„Когато се гледа под много мощни микроскопи, метаповърхностите изглеждат като периодична решетка от полюси“, каза Адиби. „Най-добрата аналогия би била да се мисли за модел LEGO, образуван чрез свързване на много подобни LEGO тухли една до друга.“

От самото им създаване метаповърхностите се използват, за да се демонстрира, че много тънките оптични устройства могат да повлияят на разпространението на светлината, като най-развитото приложение е металенът (образуването на тънки лещи).

Въпреки впечатляващия напредък, повечето демонстрирани метаповърхности са пасивни, което означава, че тяхната производителност не може да бъде променена (или коригирана) след производството. Работата, представена от Адиби и неговия екип, ръководена от кандидата за докторат Саджад Абдолахрамезани, прилага електрическа топлина към специален клас нанофотонни материали, за да създаде платформа за лесно изработване на реконфигурируеми метаповърхности с високи нива на оптична модулация.

Оформяне на бъдещето на светлината с преконфигурируеми метаповърхности

Али Адиби, професор в Georgia Tech, притежател на докторска степен. кандидат Саджад Абдолахрамезани в лабораторията на Изследователската група по фотоника на Али, където се извършва характеризирането на регулируеми метаповърхности. Кредит: Georgia Tech

PCM предоставят отговора

Широка гама от материали могат да се използват за образуване на метаповърхности, включително метали, оксиди и полупроводници, но изследванията на Abdollahramezani и Adibi се фокусират върху материалите за фазова промяна (PCM), тъй като те могат да образуват най-ефективните структури с най-малки размери на характеристиките. PCM са вещества, които абсорбират и отделят топлина по време на процеса на нагряване и охлаждане. Те се наричат ​​материали с “фазова промяна”, тъй като те преминават от едно състояние на кристализация в друго по време на процеса на термичен цикъл. Преминаването на водата от течно в твърдо или газ е най-често срещаният пример.

Експериментите на екипа на Georgia Tech са значително по-сложни от нагряването и замразяването на вода. Знаейки, че оптичните свойства на PCM могат да бъдат променени чрез локално нагряване, те използват пълния потенциал на PCM Ge сплавта2sb2Вие5 (GST), което е съединение от германий, антимон и телур.

Чрез комбиниране на оптичния дизайн с миниатюрен електрически микронагревател отдолу, екипът може да промени кристалната фаза на GST, за да направи възможно активното настройване на устройството за метаповърхност. Изработените метаповърхности са разработени в Института по електроника и нанотехнологии (IEN) на Georgia Tech и тествани в лаборатории за характеризиране чрез осветяване на преконфигурируемите метаповърхности с лазерна светлина на различни честоти и измерване на свойствата на отразената светлина в реално време.

Какво означават регулируемите метаповърхности за бъдещето

Водени от миниатюризацията на устройствата и системната интеграция, както и способността им да отразяват селективно различни цветове на светлината, метаповърхностите бързо заменят обемистите оптични модули от миналото. Очаква се незабавно въздействие върху технологии като LiDAR системи за самоуправляващи се автомобили, изображения, спектроскопия и сензори.

С по-нататъшно развитие могат да се обмислят и по-агресивни приложения като изчисления, разширена реалност, фотонни чипове за изкуствен интелект и откриване на биологични опасности, според Абдолахрамезани и Адиби.

„Тъй като платформата продължава да се разраства, преконфигурируеми метаповърхности ще бъдат намерени навсякъде“, каза Адиби. „Те ще позволят на дори по-малки ендоскопи да навлизат дълбоко в тялото за по-добро изобразяване и ще помогнат на медицинските сензори да открият различни биомаркери в кръвта.


Динамични метаповърхности и метаустройства, задвижвани от графен


Повече информация:
Sajjad Abdollahramezani et al, електрически контролирана препрограмируема метаповърхност с промяна на фазата, постигаща 80% ефективност, Комуникация с природата (2022 г.). DOI: 10.1038/s41467-022-29374-6

Предоставено от Технологичния институт на Джорджия

цитат: Оформяне на бъдещето на светлината чрез преконфигурируеми метаповърхности (16 май 2022 г.), извлечено на 17 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-future-reconfigurable-metasurfaces.html

Този документ е обект на авторско право. Освен за честна употреба за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието е предоставено само за информация.

Add Comment