(I) Bild av det tillverkade provet monterat på en keramisk chipbärare, (II) lutad falskfärgad SEM-bild av meta-switchen som består av mikrovärmaren och fasförändringsmetaytan, och (III) den förstorade fågelperspektivet av meta-atom array. (IV) Lutad falskfärgad SEM-bild av meta-switchen som består av mikrovärmaren och fasförändringsmetaytan vid 50 μm. Kredit:Georgia Tech
Den tekniska utvecklingen av optiska linser har länge varit en betydande markör för mänskliga vetenskapliga prestationer. Glasögon, teleskop, kameror och mikroskop har alla bokstavligen och bildligt talat tillåtit oss att se världen i ett nytt ljus. Linser är också en grundläggande komponent i tillverkningen av nanoelektronik av halvledarindustrin.
Ett av de mest slagkraftiga genombrotten för linsteknologi under senare tid har varit utvecklingen av fotoniska metasytor – artificiellt framställda nanoskalamaterial med anmärkningsvärda optiska egenskaper. Georgia Tech-forskare i framkant av denna teknik har nyligen visat den första elektriskt avstämbara fotoniska metasytorplattformen någonsin i en nyligen publicerad studie publicerad av Nature Communications .
"Metaytor kan göra de optiska systemen väldigt tunna, och eftersom de blir lättare att kontrollera och ställa in, kommer du snart att hitta dem i mobiltelefonkameror och liknande elektroniska bildsystem", säger Ali Adibi, professor vid School of Electrical and Computer Engineering vid Georgia Institute of Technology.
De uttalade inställningsåtgärderna som uppnås genom den nya plattformen representerar ett avgörande framsteg mot utvecklingen av miniatyriserade omkonfigurerbara metasytor. Resultaten av studien har visat en rekordstor elvafaldig förändring av de reflekterande egenskaperna, ett stort utbud av spektraljustering för drift och mycket snabbare inställningshastighet.
Värma upp metasytor
Metasytor är en klass av nanofotoniska material där ett stort antal miniatyriserade element är konstruerade för att påverka transmissionen och reflektionen av ljus vid olika frekvenser på ett kontrollerat sätt.
"När man tittar under mycket starka mikroskop ser metasytor ut som en periodisk uppsättning av inlägg", sa Adibi. "Den bästa analogin skulle vara att tänka på ett LEGO-mönster som bildas genom att koppla många liknande LEGO-klossar bredvid varandra."
Sedan starten har metasytor använts för att visa att mycket tunna optiska enheter kan påverka ljusutbredning med metalenses (bildningen av tunna linser) som den mest utvecklade applikationen.
Trots imponerande framsteg är de flesta påvisade metasytor passiva, vilket innebär att deras prestanda inte kan ändras (eller justeras) efter tillverkning. Arbetet presenterat av Adibi och hans team, ledd av Ph.D. kandidat Sajjad Abdollahramezani, applicerar elektrisk värme på en speciell klass av nanofotoniska material för att skapa en plattform som kan göra det möjligt att enkelt tillverka omkonfigurerbara metasytor med höga nivåer av optisk modulering.
Georgia Tech professor Ali Adibi med Ph.D. kandidat Sajjad Abdollahramezani i Alis Photonics Research Group-labb där karakteriseringen av de avstämbara metasytorna äger rum. Kredit:Georgia Tech
PCM ger svaret
Ett brett utbud av material kan användas för att bilda metasytor, inklusive metaller, oxider och halvledare, men Abdollahramezani och Adibis forskning fokuserar på fasförändringsmaterial (PCM) eftersom de kan bilda de mest effektiva strukturerna med de minsta egenskapernas storlekar. PCM är ämnen som absorberar och avger värme under processen för uppvärmning och kylning. De kallas "fasförändrings"-material eftersom de går från ett kristallisationstillstånd till ett annat under den termiska cyklingsprocessen. Vatten som byter från vätska till fast eller gas är det vanligaste exemplet.
Georgia Tech-teamets experiment är betydligt mer komplicerade än att värma och frysa vatten. Eftersom de vet att de optiska egenskaperna hos PCM kan ändras genom lokal uppvärmning, har de utnyttjat den fulla potentialen hos PCM-legeringen Ge2 Sb2 Te5 (GST), som är en förening av germanium, antimon och tellur.
Genom att kombinera den optiska designen med en miniatyriserad elektrisk mikrovärmare undertill kan teamet ändra den kristallina fasen av GST för att möjliggöra aktiv inställning av metasurface-enheten. De tillverkade metasytorna utvecklades vid Georgia Techs Institute for Electronics and Nanotechnology (IEN) och testades i karakteriseringslabb genom att belysa de omkonfigurerbara metasytorna med laserljus vid olika frekvenser och mäta egenskaperna hos det reflekterade ljuset i realtid.
Vad betyder inställbara metasytor för framtiden
Driven av enhetsminiatyrisering och systemintegration, såväl som deras förmåga att selektivt reflektera olika ljusfärger, ersätter metasytor snabbt skrymmande optiska enheter från det förflutna. Omedelbar påverkan på teknologier som LiDAR-system för autonoma bilar, bildbehandling, spektroskopi och avkänning förväntas.
Med vidareutveckling kan också mer aggressiva applikationer som datoranvändning, förstärkt verklighet, fotoniska chips för artificiell intelligens och detektering av biologiska risker föreställas, enligt Abdollahramezani och Adibi.
"När plattformen fortsätter att utvecklas kommer omkonfigurerbara metasytor att hittas överallt", sa Adibi. "De kommer till och med att ge mindre endoskop möjlighet att gå djupt in i kroppen för bättre avbildning och hjälpa medicinska sensorer att upptäcka olika biomarkörer i blod." + Utforska vidare
