Forskare beskrev en ny strategi för att designa metamolekyler som innehåller två oberoende kontrollerbara subvåglängds metaatomer. Denna tvåparametriska kontroll av metamolekylen säkerställer fullständig kontroll av både amplitud och ljusfas.

En KAIST forskargrupp i samarbete med University of Wisconsin-Madison föreslog teoretiskt en grafenbaserad aktiv metayta som kan oberoende amplitud och faskontroll av mellaninfrarött ljus. Denna forskning ger ny insikt i att modulera den mellaninfraröda vågfronten med hög upplösning genom att lösa problemet med den oberoende kontrollen av ljusets amplitud och fas, vilket har varit en långvarig utmaning.

Ljusmoduleringsteknik är avgörande för att utveckla framtida optiska enheter som holografi, högupplöst bildbehandling, och optiska kommunikationssystem. Flytande kristaller och ett mikroelektromekaniskt system (MEMS) har tidigare använts för att modulera ljus. Dock, båda metoderna lider av signifikant begränsade körhastigheter och enhetspixelstorlekar som är större än diffraktionsgränsen, som följaktligen förhindrar deras integration i fotoniska system.

Metasurface-plattformen anses vara en stark kandidat för nästa generations ljusmoduleringsteknologi. Metasytor har optiska egenskaper som naturmaterial inte kan ha, och kan övervinna begränsningarna hos konventionella optiska system, såsom att bilda en högupplöst bild bortom diffraktionsgränsen. Särskilt, den aktiva metaytan betraktas som en teknik med ett brett användningsområde på grund av dess avstämbara optiska egenskaper med en elektrisk signal.

Dock, tidigare aktiva metasytor led av den oundvikliga korrelationen mellan ljusamplitudkontroll och faskontroll. Detta problem orsakas av moduleringsmekanismen hos konventionella metasytor. Konventionella metasytor har utformats så att en metaatom bara har ett resonanstillstånd, men en enda resonansdesign saknar i sig frihetsgraderna att självständigt kontrollera ljusets amplitud och fas.

Forskargruppen skapade en metaenhet genom att kombinera två oberoende kontrollerbara metaatomer, dramatiskt förbättra moduleringsintervallet för aktiva metasytor. Den föreslagna metaytan kan kontrollera amplituden och fasen för det mellaninfraröda ljuset oberoende med en upplösning bortom diffraktionsgränsen, vilket möjliggör fullständig kontroll av den optiska vågfronten.

Forskargruppen bekräftade teoretiskt prestandan hos den föreslagna aktiva metaytan och möjligheten till vågfrontsformning med denna designmetod. Vidare, de utvecklade en analytisk metod som kan approximera de optiska egenskaperna hos metasytor utan komplexa elektromagnetiska simuleringar. Denna analytiska plattform föreslår en mer intuitiv och heltäckande tillämplig riktlinje för metasurface design.

Den föreslagna tekniken förväntas möjliggöra noggrann vågfrontsformning med en mycket högre rumslig upplösning än befintliga vågfrontsformningsteknologier, som kommer att tillämpas på aktiva optiska system som mellaninfraröd holografi, höghastighetsljusstyrningsanordningar som kan användas för LiDAR, och infraröda linser med variabel fokus.

Professor Min Seok Jang kommenterade, "Denna studie visade ljusets oberoende kontrollamplitud och fas, som har varit en långvarig strävan inom ljusmodulatorteknik. Utvecklingen av optiska enheter som använder komplex vågfrontskontroll förväntas bli mer aktiv i framtiden."

Ph.D. kandidat Sangjun Han och Dr Seyoon Kim från University of Wisconsin-Madison är de första författarna till forskningen, som publicerades och valdes som framsidan av 28 januari-upplagan av ACS Nano titeln "Fullständig komplex amplitudmodulering med elektroniskt avstämbara grafenplasmoniska metamolekyler."