Eine neue Strategie für das Design aktiver Metaoberflächen bietet eine vollständige phasenabstimmbare 360-Grad-Metaoberfläche

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Professor Min Seok Jang von KAIST und Professor Victor W. Brar von der University of Wisconsin-Madison hat eine breit anwendbare Methodik demonstriert, die eine vollständige aktive 360°-Phasenmodulation für Metaoberflächen ermöglicht und gleichzeitig ein signifikantes Maß an gleichmäßiger Lichtamplitude beibehält . Diese Strategie lässt sich grundsätzlich auf jeden Spektralbereich mit beliebigen Strukturen und Resonanzen anwenden.

Metaoberflächen sind optische Komponenten mit spezialisierten Funktionalitäten, die für reale Anwendungen unverzichtbar sind, von LIDAR und Spektroskopie bis hin zu futuristischen Technologien wie Tarnkappen und Hologrammen. Sie sind bekannt für ihre Kompaktheit und Mikro-/Nanogröße, die es ihnen ermöglicht, in elektronische computergestützte Systeme mit immer kleiner werdenden Größen integriert zu werden, wie es das Mooresche Gesetz vorhersagt.

Um solche Innovationen zu ermöglichen, müssen Metaoberflächen in der Lage sein, das auftreffende Licht zu manipulieren, indem sie entweder die Amplitude oder die Phase (oder beides) des Lichts manipulieren und es wieder aussenden. Die dynamische Modulation der Phase mit dem vollen Kreisbereich war jedoch eine notorisch schwierige Aufgabe, wobei nur sehr wenige Werke dies schafften, indem sie einen erheblichen Teil der Amplitudensteuerung opferten.

Angesichts dieser Einschränkungen schlug das Team eine allgemeine Methodik vor, die es Metaoberflächen ermöglicht, eine dynamische Phasenmodulation mit dem gesamten 360°-Phasenbereich zu implementieren, während gleichzeitig signifikante Amplitudenniveaus beibehalten werden.

Der eigentliche Grund für die Schwierigkeit, eine solche Leistung zu erzielen, besteht darin, dass es einen grundlegenden Kompromiss hinsichtlich der dynamischen Steuerung der optischen Phase des Lichts gibt. Metaoberflächen erfüllen eine solche Funktion im Allgemeinen durch optische Resonanzen, eine Anregung von Elektronen innerhalb der Metaoberflächenstruktur, die zusammen mit dem einfallenden Licht harmonisch schwingen. Um über den gesamten Bereich von 0–360° modulieren zu können, muss die optische Resonanzfrequenz (die Mitte des Spektrums) stark abgestimmt werden, während die Linienbreite (die Breite des Spektrums) auf einem Minimum gehalten wird . Um jedoch die optische Resonanzfrequenz der Metaoberfläche nach Bedarf elektrisch abzustimmen, muss es einen kontrollierbaren Zufluss und Abfluss von Elektronen in die Metaoberfläche geben, und dies führt unweigerlich zu einer größeren Linienbreite der oben erwähnten optischen Resonanz.

Das Problem wird weiter durch die Tatsache verschlimmert, dass die Phase und die Amplitude von optischen Resonanzen in einer komplexen, nichtlinearen Weise eng korreliert sind, was es sehr schwierig macht, eine wesentliche Kontrolle über die Amplitude zu behalten, während die Phase geändert wird.

Die Arbeit des Teams umging beide Probleme, indem es zwei optische Resonanzen mit jeweils spezifisch festgelegten Eigenschaften verwendete. Eine Resonanz sorgt für die Entkopplung zwischen Phase und Amplitude, so dass die Phase abgestimmt werden kann, während signifikante und gleichmäßige Amplitudenpegel beibehalten werden, sowie eine schmale Linienbreite bereitgestellt wird.

Die andere Resonanz bietet die Möglichkeit, in hohem Maße ausreichend abgestimmt zu werden, so dass der gesamte Vollkreisbereich der Phasenmodulation erreichbar ist. Die Quintessenz der Arbeit besteht dann darin, die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Resonanzen durch ein Phänomen zu kombinieren, das als vermiedene Kreuzung bezeichnet wird, sodass die Wechselwirkungen zwischen den beiden Resonanzen zu einer Verschmelzung der gewünschten Eigenschaften führen, die die volle 360°-Phasenmodulation erreicht und sogar übertrifft mit gleichmäßiger Amplitude.

Professor Jang sagte: „Unsere Forschung schlägt eine neue Methodik in der dynamischen Phasenmodulation vor, die die herkömmlichen Grenzen und Kompromisse durchbricht und gleichzeitig auf verschiedene Arten von Metaoberflächen anwendbar ist. Wir hoffen, dass diese Idee den Forschern hilft, viele Schlüsselanwendungen von zu implementieren und zu realisieren Metaoberflächen wie LIDAR und Hologramme, damit die Nanophotonik-Industrie weiter wächst und eine bessere technologische Zukunft bietet.“

Die von Ju Young Kim und Juho Park et al. verfasste Forschungsarbeit mit dem Titel „Full 2π Tunable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances“ wurde in veröffentlicht Naturkommunikation am 19.04.