Die Zukunft des Lichts durch rekonfigurierbare Metaoberflächen gestalten

Der technologische Fortschritt optischer Linsen ist seit langem ein bedeutender Marker für menschliche wissenschaftliche Errungenschaften. Brillen, Teleskope, Kameras und Mikroskope haben uns alle buchstäblich und im übertragenen Sinne ermöglicht, die Welt in einem neuen Licht zu sehen. Linsen sind auch ein grundlegender Bestandteil der Herstellung von Nanoelektronik durch die Halbleiterindustrie.

Einer der einflussreichsten Durchbrüche der Linsentechnologie in der jüngeren Geschichte war die Entwicklung von photonischen Metaoberflächen – künstlich hergestellte Materialien im Nanomaßstab mit bemerkenswerten optischen Eigenschaften. Forscher des Georgia Tech, die an vorderster Front dieser Technologie stehen, haben kürzlich in einer kürzlich veröffentlichten Studie die allererste elektrisch abstimmbare photonische Metaoberflächenplattform demonstriert Naturkommunikation.

„Metaoberflächen können die optischen Systeme sehr dünn machen, und da sie einfacher zu steuern und abzustimmen sind, werden Sie sie bald in Handykameras und ähnlichen elektronischen Bildgebungssystemen finden“, sagte Ali Adibi, Professor an der School of Electrical and Computer Engineering am Georgia Institute of Technology.

Die durch die neue Plattform erreichten ausgeprägten Tuning-Maßnahmen stellen einen entscheidenden Fortschritt in Richtung der Entwicklung miniaturisierter rekonfigurierbarer Metaoberflächen dar. Die Ergebnisse der Studie haben eine rekordverdächtige elffache Änderung der Reflexionseigenschaften, einen großen Bereich der spektralen Abstimmung für den Betrieb und eine viel schnellere Abstimmungsgeschwindigkeit gezeigt.

Aufheizen von Metaoberflächen

Metaoberflächen sind eine Klasse von nanophotonischen Materialien, in denen eine Vielzahl von miniaturisierten Elementen so konstruiert sind, dass sie die Übertragung und Reflexion von Licht bei verschiedenen Frequenzen auf kontrollierte Weise beeinflussen.

„Bei Betrachtung unter sehr starken Mikroskopen sehen Metaoberflächen wie eine periodische Anordnung von Pfosten aus“, sagte Adibi. „Die beste Analogie wäre, an ein LEGO-Muster zu denken, das durch das Verbinden vieler ähnlicher LEGO-Steine ​​​​nebeneinander entsteht.“

Seit ihrer Einführung wurden Metaoberflächen verwendet, um zu demonstrieren, dass sehr dünne optische Geräte die Lichtausbreitung beeinflussen können, wobei Metalllinsen (die Bildung dünner Linsen) die am weitesten entwickelte Anwendung sind.

Trotz beeindruckender Fortschritte sind die meisten demonstrierten Metaoberflächen passiv, was bedeutet, dass ihre Leistung nach der Herstellung nicht geändert (oder eingestellt) werden kann. Die von Adibi und seinem Team unter der Leitung von Ph.D. Kandidat Sajjad Abdollahramezani wendet elektrische Wärme auf eine spezielle Klasse von nanophotonischen Materialien an, um eine Plattform zu schaffen, die die einfache Herstellung rekonfigurierbarer Metaoberflächen mit einem hohen Grad an optischer Modulation ermöglicht.

PCMs liefern die Antwort

Eine breite Palette von Materialien kann zur Bildung von Metaoberflächen verwendet werden, darunter Metalle, Oxide und Halbleiter, aber die Forschung von Abdollahramezani und Adibi konzentriert sich auf Phasenwechselmaterialien (PCMs), da sie die effektivsten Strukturen mit den kleinsten Strukturgrößen bilden können. PCMs sind Stoffe, die beim Erhitzen und Abkühlen Wärme aufnehmen und abgeben. Sie werden „Phasenwechsel“-Materialien genannt, weil sie während des Temperaturwechselprozesses von einem Kristallisationszustand in einen anderen übergehen. Das häufigste Beispiel dafür ist der Übergang von Wasser von flüssig zu fest oder gasförmig.

Die Experimente des Georgia Tech-Teams sind wesentlich komplizierter als das Erhitzen und Einfrieren von Wasser. Da sie wissen, dass die optischen Eigenschaften von PCMs durch lokales Erhitzen verändert werden können, haben sie das volle Potenzial der PCM-Legierung Ge2Sb2Te5 (GST), einer Verbindung aus Germanium, Antimon und Tellur, genutzt.

Durch die Kombination des optischen Designs mit einem miniaturisierten elektrischen Mikroheizer darunter kann das Team die kristalline Phase des GST ändern, um eine aktive Abstimmung des Metaoberflächengeräts zu ermöglichen. Die fabrizierten Metaoberflächen wurden am Institut für Elektronik und Nanotechnologie (IEN) der Georgia Tech entwickelt und in Charakterisierungslabors getestet, indem die rekonfigurierbaren Metaoberflächen mit Laserlicht bei verschiedenen Frequenzen beleuchtet und die Eigenschaften des reflektierten Lichts in Echtzeit gemessen wurden.

Was abstimmbare Metaoberflächen für die Zukunft bedeuten

Angetrieben von der Geräteminiaturisierung und Systemintegration sowie ihrer Fähigkeit, unterschiedliche Lichtfarben selektiv zu reflektieren, ersetzen Metaoberflächen schnell die sperrigen optischen Baugruppen der Vergangenheit. Unmittelbare Auswirkungen auf Technologien wie LiDAR-Systeme für autonome Autos, Bildgebung, Spektroskopie und Sensorik werden erwartet.

Mit der weiteren Entwicklung sind laut Abdollahramezani und Adibi auch aggressivere Anwendungen wie Computer, Augmented Reality, photonische Chips für künstliche Intelligenz und die Erkennung von Biogefahren denkbar.

„Während sich die Plattform weiterentwickelt, werden überall rekonfigurierbare Metaoberflächen zu finden sein“, sagte Adibi. „Sie werden es sogar kleineren Endoskopen ermöglichen, für eine bessere Bildgebung tief in den Körper einzudringen und medizinischen Sensoren dabei zu helfen, verschiedene Biomarker im Blut zu erkennen.“