MIT-ingenieurs en collega's melden belangrijke nieuwe ontwikkelingen op een afstembaar metaoppervlak, of plat optisch apparaat met patronen op nanoschaal, dat ze te vergelijken zijn met een Zwitsers zakmes, terwijl zijn passieve voorganger kan worden gezien als slechts één hulpmiddel, als een platte schroevendraaier. De sleutel tot het werk is een transparant materiaal dat door het team is ontdekt en dat snel en omkeerbaar zijn atomaire structuur verandert als reactie op hitte.

"De toepassingen die worden geopend door de mogelijkheid om meta-oppervlakken snel opnieuw te configureren, zijn enorm, " zegt Yifei Zhang, eerste auteur van een paper over de laatste ontwikkelingen in een recent nummer van Natuur Nanotechnologie . Zhang is een afgestudeerde student aan het Department of Materials Science and Engineering (DMSE). "We zijn enthousiast omdat het huidige werk verschillende obstakels overwint om deze meta-oppervlakken in echte toepassingen te implementeren."

zegt universitair hoofddocent Arka Majumdar van de Universiteit van Washington, Seattle, van die toepassingen:"Ik stel me voor [dat] deze technologie een revolutie teweeg kan brengen in optische neurale netwerken, dieptemeting, en Lidar-technologie voor zelfrijdende auto's." Majumdar was niet betrokken bij het onderzoek.

Elektrische schakelaar:

In de Natuur Nanotechnologie papier, de MIT-onderzoekers beschrijven het gebruik van elektrische stromen om de materiaalstructuur - en dus optische eigenschappen - van het nieuwe meta-oppervlak omkeerbaar te veranderen. Vroeger, ze gebruikten volumineuze lasers of een oven om de nodige warmte te leveren. "Dit is belangrijk omdat we nu het volledige actieve optische apparaat kunnen integreren, samen met de elektrische schakelaar, op een siliciumchip om een ​​geminiaturiseerd optisch platform te vormen, " zegt Juejun Hu, leider van het werk en een universitair hoofddocent Materials Science and Engineering in DMSE.

Het team meldt ook dat het "een reeks afstembare optische functies met behulp van het platform demonstreert, " zegt Hu. Deze omvatten een straalbesturingsapparaat waarbij "door het materiaal naar verschillende [interne] structuren te schakelen, we kunnen licht in de ene richting sturen tegen de andere, heen en weer." Beam steering is de sleutel tot zelfrijdende auto's, al benadrukt Hu dat het apparaat dat hij en zijn collega's demonstreerden nog vrij rudimentair is. "Het is meer een proof of principle."

Naast Zhang en Hu, auteurs van het nieuwe artikel zijn Junhao Liang, Bilal Azhar, Michail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios, en Tian Gu, alle MIT DMSE; Clayton Fowler, Senong An, en Hualiang Zhang van de Universiteit van Massachusetts, Lowell; Jeffrey B.Chou, Christopher M. Roberts, en Vladimir Liberman van MIT Lincoln Laboratory; Myungkoo Kang en Kathleen A. Richardson van de Universiteit van Centraal Florida, en Clara Rivero-Baleine van Lockheed Martin Corporation. Hu en Gu zijn ook verbonden aan MIT's Materials Research Laboratory.

Een nieuw materiaal

Phase-change materialen (PCM's) veranderen hun structuur als reactie op warmte. Ze worden commercieel gebruikt in herschrijfbare cd's en dvd's. legt Hu uit, "een laserstraal verandert plaatselijk de structuur van het materiaal, van amorf naar kristallijn, en die verandering kan worden gebruikt om enen en nullen te coderen - digitale informatie."

Echter, conventionele PCM's hebben beperkingen als het gaat om optische toepassingen. Voor een, ze zijn ondoorzichtig. Ze laten geen licht door. "Dat motiveerde ons om te kijken naar een nieuw faseovergangsmateriaal voor optische apparaten dat transparant is, " zegt Hu. Eerder dit jaar meldde zijn team dat het toevoegen van een ander element, selenium, naar een conventionele PCM deed de truc.

Het nieuwe materiaal, samengesteld uit germanium, selenium, antimoon, en telluur (GSST), is de sleutel tot het nieuwe metaoppervlak. Het meta-oppervlak, beurtelings, is niet zomaar een dunne film van GSST, het is een film van GSST van slechts ongeveer een halve vierkante millimeter met een patroon van ongeveer 100, 000 nanoschaalstructuren. En deze, beurtelings, "zodat je de voortplanting van licht kunt controleren. Dus je kunt een verzameling van deze nanostructuren transformeren in, bijvoorbeeld, een lens, "zegt Hu.

Harish Bhaskaran is een professor aan de Universiteit van Oxford die niet betrokken was bij het onderzoek. Hij gaf commentaar op het werk als geheel en op de vorderingen die in het nieuwe artikel worden vermeld:

"Dit is een zeer belangrijk werkgebied, aangezien zulke afstembare meta-oppervlakken, d.w.z., oppervlakken die de weerkaatsing van licht kunnen moduleren, ook al zijn ze nominaal 'plat' of erg dun, zijn buitengewoon interessant. Ze kunnen het grootste deel van de lenzen drastisch verminderen, die natuurlijk worden gebruikt in alles wat licht manipuleert. [MIT's] gebruik van faseovergangsmaterialen met een laag verlies (d.w.z. ze absorberen heel weinig licht) biedt een echt pad om dit te realiseren. De auteurs zijn ook een van de eersten die de dynamische afstemming laten zien met behulp van kachels die elektrisch worden aangestuurd." (In hetzelfde nummer van Natuur Nanotechnologie een team van Stanford meldt ook dat de meta-oppervlakken met elektrische verwarming op een andere manier worden bestuurd.)

Volgens een News &Views-artikel in hetzelfde nummer van Natuur Nanotechnologie over de vorderingen van MIT en Stanford, "Deze werken zorgen voor een doorbraak in de afstembare PCM-gebaseerde meta-oppervlakken." Echter, de auteurs van News &Views benadrukken dat beide benaderingen nadelen hebben.

Het Hu-team pakt enkele van die nadelen aan. Bijvoorbeeld, de verwarming die wordt gebruikt in hun geminiaturiseerde opticaplatform is momenteel gemaakt van metaal. Maar "metalen zijn problematisch voor optica, omdat ze licht absorberen, Hu zegt. "We werken aan een nieuwe heater gemaakt van silicium die transparant is."

Hu beschrijft het werk in het algemeen als bijzonder opwindend omdat het begon met de ontdekking van een nieuw materiaal dat het team vervolgens ontwikkelde voor een nieuwe toepassing. "Dit gaat van materiaalinnovatie tot apparaatintegratie, wat ik vrij uniek vind."

Het werk werd ondersteund door het US Defense Advanced Research Projects Agency en de US Air Force. De onderzoekers erkennen ook het gebruik van faciliteiten van het MIT Materials Research Laboratory, de MIT Microsystems Technology Laboratoria, en het Harvard University Center for Nanoscale Systems.