Onderzoekers beschreven een nieuwe strategie voor het ontwerpen van metamoleculen die twee onafhankelijk regelbare subgolflengte-metaatomen bevatten. Deze twee-parametrische controle van het metamolecuul verzekert de volledige controle van zowel de amplitude als de fase van het licht.

Een KAIST-onderzoeksteam in samenwerking met de Universiteit van Wisconsin-Madison suggereerde theoretisch een op grafeen gebaseerd actief meta-oppervlak dat in staat is tot onafhankelijke amplitude- en faseregeling van midden-infrarood licht. Dit onderzoek geeft nieuw inzicht in het moduleren van het midden-infrarode golffront met hoge resolutie door het probleem van de onafhankelijke regeling van lichtamplitude en fase op te lossen, wat al lang een uitdaging is.

Lichtmodulatietechnologie is essentieel voor de ontwikkeling van toekomstige optische apparaten zoals holografie, beeldvorming met hoge resolutie, en optische communicatiesystemen. Vloeibare kristallen en een micro-elektromechanisch systeem (MEMS) zijn eerder gebruikt om licht te moduleren. Echter, beide methoden lijden aan aanzienlijk beperkte rijsnelheden en eenheidspixelgroottes die groter zijn dan de diffractielimiet, die bijgevolg hun integratie in fotonische systemen verhinderen.

Het metasurface-platform wordt beschouwd als een sterke kandidaat voor de volgende generatie lichtmodulatietechnologie. Meta-oppervlakken hebben optische eigenschappen die natuurlijke materialen niet kunnen hebben, en kan de beperkingen van conventionele optische systemen overwinnen, zoals het vormen van een afbeelding met een hoge resolutie die de diffractielimiet overschrijdt. Vooral, het actieve meta-oppervlak wordt beschouwd als een technologie met een breed scala aan toepassingen vanwege de afstembare optische eigenschappen met een elektrisch signaal.

Echter, eerdere actieve meta-oppervlakken leden onder de onvermijdelijke correlatie tussen lichtamplituderegeling en faseregeling. Dit probleem wordt veroorzaakt door het modulatiemechanisme van conventionele meta-oppervlakken. Conventionele meta-oppervlakken zijn zo ontworpen dat een meta-atoom slechts één resonantieconditie heeft, maar een enkel resonerend ontwerp mist inherent de vrijheidsgraden om de amplitude en fase van licht onafhankelijk te regelen.

Het onderzoeksteam maakte een meta-eenheid door twee onafhankelijk regelbare meta-atomen te combineren, drastisch verbeteren van het modulatiebereik van actieve meta-oppervlakken. Het voorgestelde meta-oppervlak kan de amplitude en fase van het midden-infraroodlicht onafhankelijk regelen met een resolutie boven de diffractielimiet, waardoor volledige controle over het optische golffront mogelijk is.

Het onderzoeksteam bevestigde theoretisch de prestaties van het voorgestelde actieve meta-oppervlak en de mogelijkheid van golffrontvorming met behulp van deze ontwerpmethode. Verder, ze ontwikkelden een analytische methode die de optische eigenschappen van meta-oppervlakken kan benaderen zonder complexe elektromagnetische simulaties. Dit analytische platform stelt een meer intuïtieve en volledig toepasbare richtlijn voor het ontwerpen van metaoppervlakken voor.

De voorgestelde technologie zal naar verwachting nauwkeurige golffrontvorming mogelijk maken met een veel hogere ruimtelijke resolutie dan bestaande golffrontvormende technologieën, die zal worden toegepast op actieve optische systemen zoals mid-infrarood holografie, hogesnelheidsstraalstuurinrichtingen die kunnen worden toegepast voor LiDAR, en variabele focus infrarood lenzen.

Professor Min Seok Jang merkte op:"Deze studie toonde de onafhankelijke regelamplitude en -fase van licht, wat al lang een zoektocht is in lichtmodulatortechnologie. De ontwikkeling van optische apparaten die gebruik maken van complexe golffrontcontrole zal naar verwachting in de toekomst actiever worden."

doctoraat kandidaat Sangjun Han en Dr. Seyoon Kim van de Universiteit van Wisconsin-Madison zijn de co-eerste auteurs van het onderzoek, die werd gepubliceerd en geselecteerd als de voorkant van de editie van 28 januari van ACS Nano getiteld "Complete complexe amplitudemodulatie met elektronisch afstembare grafeen-plasmonische metamoleculen."