Eine neue intelligente, verstellbare Oberfläche kann einen einzelnen Lichtimpuls in mehrere Strahlen umwandeln, die jeweils in unterschiedliche Richtungen gerichtet sind. Diese Machbarkeitsnachweisentwicklung ebnet den Weg für eine Reihe von Innovationen in den Bereichen Kommunikation, Bildgebung, Sensorik und Medizin.
Die Forschung wurde vom Caltech-Labor unter der Leitung von Harry Atwater, Professor für angewandte Physik und Materialwissenschaften, durchgeführt und ist dank einer Art nanotechnischem Material namens Metaoberfläche möglich. „Dabei handelt es sich um künstlich gestaltete Oberflächen, die im Wesentlichen aus nanostrukturierten Mustern bestehen“, sagt Prachi Thureja, ein Doktorand in Atwaters Gruppe. „Es handelt sich also um eine Ansammlung von Nanostrukturen, und jede Nanostruktur ermöglicht es uns im Wesentlichen, die Eigenschaften des Lichts lokal zu steuern. »
Die Oberfläche kann bis zu Millionen Mal pro Sekunde neu konfiguriert werden, um die Art und Weise zu ändern, wie sie das Licht lokal steuert. Dies ist schnell genug, um Licht für optische Datenübertragungsanwendungen wie optische Weltraumkommunikation und Li-Fi sowie Lidar zu manipulieren und umzuleiten.
„[The metasurface] „Drahtlose Technologie bietet beispiellose Freiheit bei der Lichtsteuerung“, sagt Alex MH Wong, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik an der City University of Hong Kong. „Diese Fähigkeit bedeutet, dass es möglich ist, bestehende drahtlose Technologien auf das optische Regime zu migrieren. Li-Fi und LIDAR sind perfekte Beispiele. »
Metaoberflächen machen Linsen und Spiegel überflüssig
Die Manipulation und Umlenkung von Lichtstrahlen erfordert typischerweise eine Reihe herkömmlicher Linsen und Spiegel. Diese Linsen und Spiegel können mikroskopisch klein sein, nutzen aber dennoch optische Eigenschaften von Materialien wie das Snelliussche Gesetz, das den Verlauf einer Wellenfront durch verschiedene Materialien beschreibt und wie diese Wellenfront basierend auf den Eigenschaften des Materials selbst umgelenkt (oder gebrochen) wird .
Im Gegensatz dazu bietet die neue Arbeit die Möglichkeit, die optischen Eigenschaften eines Materials über ein Halbleitermaterial elektrisch zu manipulieren. In Kombination mit nanoskaligen Spiegelelementen können sich diese flachen mikroskopischen Geräte wie eine Linse verhalten, ohne dass gebogene oder gefaltete Glasstücke erforderlich sind. Und die optischen Eigenschaften der neuen Metaoberfläche können mithilfe elektrischer Signale millionenfach pro Sekunde verändert werden.
„Der Unterschied zu unserem Gerät besteht darin, dass wir durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen an das Gerät das Profil des vom Spiegel kommenden Lichts ändern können, auch wenn dieser sich physisch nicht bewegt“, erklärt Jared Sisler, Co-Autor der Arbeit. und auch ein Doktorand in Atwaters Gruppe. „Wir können das Licht dann so lenken, als wäre es ein elektrisch umprogrammierbarer Spiegel. »
Das Gerät selbst, ein Chip mit einer Seitenlänge von 120 Mikrometern, erreicht seine Lichtmanipulationsfähigkeiten durch eine eingebettete Oberfläche aus winzigen Goldantennen in einer Halbleiterschicht aus Indiumzinnoxid. Die Manipulation der Spannungen am Halbleiter verändert die Fähigkeit des Materials, Licht zu beugen, auch Brechungsindex genannt. Durch die Reflexion der Goldspiegelelemente und die einstellbare Brechungskapazität des Halbleiters werden viele schnell einstellbare Lichtmanipulationen möglich.
„Ich denke, die Idee, eine Festkörper-Metaoberfläche oder ein optisches Gerät zu verwenden, um Licht durch den Weltraum zu leiten und es auch zum Kodieren von Informationen zu verwenden – ich meine, so etwas gibt es im Moment nicht“, sagt Sisler. „Technisch gesehen können wir also mehr Informationen senden, wenn es uns gelingt, höhere Modulationsraten zu erreichen. Da es sich aber um ein etwas neues Gebiet handelt, dient die Leistung unseres Gerätes eher der Veranschaulichung des Prinzips. »
Metaoberflächen eröffnen viele neue Möglichkeiten
Dieses Prinzip, erklärt Wong, legt eine breite Palette zukünftiger Technologien nahe, die auf seiner Ansicht nach wahrscheinlichen kurzfristigen Entwicklungen und Entdeckungen von Metaoberflächen basieren.
„Die Metaoberfläche [can] „Die Metaoberfläche muss flach, ultradünn und leicht sein und gleichzeitig die Funktionen erfüllen, die normalerweise eine Reihe sorgfältig gebogener Linsen erfüllen“, sagt Wong. „Wissenschaftler nutzen weiterhin die enormen Möglichkeiten, die uns die Metaoberfläche bietet.
„Dank der Fortschritte in der Nanofabrikation ist es jetzt möglich, zuverlässig kleine Elemente herzustellen, die viel kleiner als die Wellenlänge sind“, fährt Wong fort. „Viele Merkmale der Metaoberfläche werden regelmäßig demonstriert, was nicht nur der Kommunikation, sondern unter anderem auch der Bildgebung, der Sensorik und der Medizin zugute kommt … Ich weiß, dass neben dem weltweiten akademischen Interesse auch verschiedene Branchenakteure großes Interesse zeigen und beträchtliche Einnahmen erzielen.“ Investitionen, um diese Technologie in Richtung Kommerzialisierung voranzutreiben. »
Artikel auf Ihrer Website
Verwandte Artikel im Internet