De technologische vooruitgang van optische lenzen is lange tijd een belangrijk kenmerk geweest van menselijke wetenschappelijke prestaties. Brillen, telescopen, camera's en microscopen hebben ons letterlijk en figuurlijk in staat gesteld de wereld in een nieuw licht te zien. Lenzen zijn ook een fundamenteel onderdeel van de fabricage van nano-elektronica door de halfgeleiderindustrie.

Een van de meest ingrijpende doorbraken van lenstechnologie in de recente geschiedenis is de ontwikkeling van fotonische meta-oppervlakken:kunstmatig vervaardigde materialen op nanoschaal met opmerkelijke optische eigenschappen. Georgia Tech-onderzoekers in de voorhoede van deze technologie hebben onlangs het allereerste elektrisch afstembare fotonische metasurface-platform gedemonstreerd in een recente studie gepubliceerd door Nature Communications .

"Meta-oppervlakken kunnen de optische systemen erg dun maken, en naarmate ze gemakkelijker te besturen en af ​​te stemmen worden, zul je ze snel vinden in camera's van mobiele telefoons en soortgelijke elektronische beeldsystemen", zegt Ali Adibi, professor aan de School of Electrical and Computer Engineering. aan het Georgia Institute of Technology.

De uitgesproken afstemmingsmaatregelen die door het nieuwe platform zijn bereikt, vertegenwoordigen een cruciale vooruitgang in de richting van de ontwikkeling van geminiaturiseerde herconfigureerbare meta-oppervlakken. De resultaten van de studie hebben een record elfvoudige verandering in de reflecterende eigenschappen, een groot bereik van spectrale afstemming voor gebruik en een veel hogere afstemmingssnelheid aangetoond.

Meta-oppervlakken opwarmen

Metasurfaces zijn een klasse van nanofotonische materialen waarin een groot aantal geminiaturiseerde elementen zijn ontworpen om de transmissie en reflectie van licht op verschillende frequenties op een gecontroleerde manier te beïnvloeden.

"Als je kijkt onder zeer sterke microscopen, zien meta-oppervlakken eruit als een periodieke reeks berichten", zei Adibi. "De beste analogie zou zijn om te denken aan een LEGO-patroon dat wordt gevormd door veel vergelijkbare LEGO-stenen naast elkaar te verbinden."

Sinds hun oprichting zijn meta-oppervlakken gebruikt om aan te tonen dat zeer dunne optische apparaten de voortplanting van licht kunnen beïnvloeden, waarbij metalenses (de vorming van dunne lenzen) de meest ontwikkelde toepassing is.

Ondanks indrukwekkende vooruitgang zijn de meeste gedemonstreerde meta-oppervlakken passief, wat betekent dat hun prestaties na fabricage niet kunnen worden gewijzigd (of aangepast). Het werk gepresenteerd door Adibi en zijn team, onder leiding van Ph.D. kandidaat Sajjad Abdollahramezani, past elektrische warmte toe op een speciale klasse nanofotonische materialen om een ​​platform te creëren waarmee herconfigureerbare meta-oppervlakken gemakkelijk kunnen worden vervaardigd met hoge niveaus van optische modulatie.

PCM's bieden het antwoord

Een breed scala aan materialen kan worden gebruikt om meta-oppervlakken te vormen, waaronder metalen, oxiden en halfgeleiders, maar het onderzoek van Abdollahramezani en Adibi richt zich op faseovergangsmaterialen (PCM's) omdat ze de meest effectieve structuren kunnen vormen met de kleinste kenmerkgroottes. PCM's zijn stoffen die warmte opnemen en afgeven tijdens het proces van verwarmen en afkoelen. Ze worden "faseovergangsmaterialen" genoemd omdat ze tijdens het thermische cyclusproces van de ene kristallisatietoestand naar de andere gaan. Water dat verandert van een vloeistof naar een vaste stof of gas is het meest voorkomende voorbeeld.

De experimenten van het Georgia Tech-team zijn aanzienlijk ingewikkelder dan het verwarmen en bevriezen van water. Wetende dat de optische eigenschappen van PCM's kunnen worden gewijzigd door lokale verwarming, hebben ze het volledige potentieel van de PCM-legering Ge₂ benut. Sb₂ Te₅ (GST), een verbinding van germanium, antimoon en tellurium.

Door het optische ontwerp te combineren met een geminiaturiseerde elektrische microverwarmer eronder, kan het team de kristallijne fase van de GST veranderen om actieve afstemming van het metasurface-apparaat mogelijk te maken. De gefabriceerde meta-oppervlakken zijn ontwikkeld door Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology (IEN) en getest in karakteriseringslaboratoria door de herconfigureerbare meta-oppervlakken te belichten met laserlicht op verschillende frequenties en de eigenschappen van het gereflecteerde licht in realtime te meten.

Wat afstembare meta-oppervlakken betekenen voor de toekomst

Gedreven door miniaturisatie van apparaten en systeemintegratie, evenals hun vermogen om verschillende kleuren licht selectief te reflecteren, vervangen meta-oppervlakken snel omvangrijke optische assemblages uit het verleden. Onmiddellijke impact op technologieën zoals LiDAR-systemen voor autonome auto's, beeldvorming, spectroscopie en detectie wordt verwacht.

Met verdere ontwikkeling kunnen volgens Abdollahramezani en Adibi ook agressievere toepassingen zoals computergebruik, augmented reality, fotonische chips voor kunstmatige intelligentie en detectie van biologisch gevaar worden overwogen.

"Terwijl het platform zich blijft ontwikkelen, zullen overal herconfigureerbare meta-oppervlakken te vinden zijn", aldus Adibi. "Ze zullen zelfs kleinere endoscopen in staat stellen om diep in het lichaam te gaan voor betere beeldvorming en om medische sensoren te helpen verschillende biomarkers in het bloed te detecteren." + Verder verkennen

Dynamische meta-oppervlakken en metadvices mogelijk gemaakt door grafeen