(I) Изображение изготовленного образца, установленного на керамическом держателе чипа, (II) наклонное СЭМ-изображение в искусственных цветах метапереключателя, состоящего из микронагревателя и метаповерхности с фазовым переходом, и (III) увеличенный вид с высоты птичьего полета массив метаатомов. (IV) Наклонное СЭМ-изображение мета-переключателя, состоящего из микронагревателя и метаповерхности с фазовым переходом на расстоянии 50 мкм, в искусственном цвете. Предоставлено: Технологический институт Джорджии.

Технический прогресс оптических линз уже давно является важным показателем научных достижений человечества. Очки, телескопы, фотоаппараты и микроскопы буквально и фигурально позволили нам увидеть мир в новом свете. Линзы также являются фундаментальным компонентом производства наноэлектроники в полупроводниковой промышленности.

Одним из самых впечатляющих достижений в технологии линз в новейшей истории стала разработка фотонных метаповерхностей — искусственно созданных наноразмерных материалов с замечательными оптическими свойствами. Исследователи Технологического института Джорджии, находящиеся в авангарде этой технологии недавно продемонстрировали в исследовании, опубликованном Nature Communications, первую в мире электрически настраиваемую фотонную метаповерхностную платформу.

«Метаповерхности могут сделать оптические системы очень тонкими, и поскольку ими становится легче управлять и настраивать, вы скоро найдете их в камерах мобильных телефонов и подобных электронных системах обработки изображений», — сказал Али Адиби, профессор Школы электротехники и вычислительной техники в Технологическом институте Джорджии.

Ярко выраженные меры настройки, достигнутые с помощью новой платформы, представляют собой важный шаг вперед в разработке миниатюрных реконфигурируемых метаповерхностей. Результаты исследования показали рекордное одиннадцатикратное изменение отражательных свойств, большой диапазон спектральной перестройки для работы и значительно большую скорость перестройки.

Нагрев метаповерхностей

Метаповерхности — это класс нанофотонных материалов, в которых спроектирован большой диапазон миниатюрных элементов, чтобы влиять на передачу и отражение света на разных частотах контролируемым образом.

«При просмотре под очень сильным микроскопом метаповерхности выглядят как периодический массив постов», — сказал Адиби. «Лучшей аналогией было бы подумать о шаблоне LEGO, образованном путем соединения множества одинаковых кирпичиков LEGO рядом друг с другом».

С момента своего создания метаповерхности использовались для демонстрации того, что очень тонкие оптические устройства могут влиять на распространение света, при этом металинзы (формирование тонких линз) являются наиболее развитым приложением.

Несмотря на впечатляющий прогресс, большинство продемонстрированных метаповерхностей являются пассивными, то есть их характеристики нельзя изменить (или настроить) после изготовления. Работа, представленная Адиби и его командой под руководством доктора философии. Кандидат Саджад Абдоллахрамезани применяет электрическое тепло к особому классу нанофотонных материалов для создания платформы, позволяющей легко производить реконфигурируемые метаповерхности с высоким уровнем оптической модуляции.

Профессор Технологического института Джорджии Али Адиби с докторской степенью. кандидат Саджад Абдолларамезани в лаборатории Ali's Photonics Research Group, где происходит характеристика настраиваемых метаповерхностей. Предоставлено: Технологический институт Джорджии.

PCM дают ответ

Для формирования метаповерхностей может использоваться широкий спектр материалов, включая металлы, оксиды и полупроводники, но исследования Абдоллахрамезани и Адиби сосредоточены на материалах с фазовым переходом (PCM), поскольку они могут образовывать наиболее эффективные структуры с наименьшими размерами элементов. ПКМ — это вещества, которые поглощают и выделяют тепло в процессе нагревания и охлаждения. Их называют материалами с фазовым переходом, потому что они переходят из одного состояния кристаллизации в другое в процессе термоциклирования. Наиболее распространенным примером является переход воды из жидкого состояния в твердое или газообразное.

Эксперименты команды Технологического института Джорджии значительно сложнее, чем нагрев и замораживание воды. Зная, что оптические свойства ПКМ могут быть изменены локальным нагревом, они использовали весь потенциал сплава ПКМ Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST), который представляет собой соединение германия, сурьмы и теллура.

Объединив оптическую конструкцию с миниатюрным электрическим микронагревателем под ней, команда может изменить кристаллическую фазу GST, чтобы сделать возможной активную настройку метаповерхностного устройства. Изготовленные метаповерхности были разработаны в Институте электроники и нанотехнологий (IEN) Технологического института Джорджии и протестированы в лабораториях определения характеристик путем освещения реконфигурируемых метаповерхностей лазерным светом на разных частотах и ​​измерения свойств отраженного света в режиме реального времени.

Что настраиваемые метаповерхности означают для будущего

Благодаря миниатюризации устройств и системной интеграции, а также их способности выборочно отражать разные цвета света, метаповерхности быстро заменяют громоздкие оптические сборки прошлого. Ожидается непосредственное влияние на такие технологии, как системы LiDAR для автономных автомобилей, визуализация, спектроскопия и зондирование.

По словам Абдоллахрамезани и Адиби, при дальнейшем развитии могут появиться более агрессивные приложения, такие как вычисления, дополненная реальность, фотонные чипы для искусственного интеллекта и обнаружение биологических опасностей.

«Поскольку платформа продолжает развиваться, реконфигурируемые метаповерхности можно будет найти повсюду», — сказал Адиби. «Они даже позволят меньшим эндоскопам проникать глубоко внутрь тела для получения более качественных изображений и помогут медицинским датчикам обнаруживать различные биомаркеры в крови».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org