MIT-ingenjörer och kollegor rapporterar viktiga nya framsteg på en avstämbar metayta, eller platt optisk enhet mönstrad med strukturer i nanoskala, att de jämförs med en schweizisk armékniv medan dess passiva föregångare kan ses som bara ett verktyg, som en platt skruvmejsel. Nyckeln till arbetet är ett transparent material som upptäckts av teamet som snabbt och reversibelt ändrar sin atomstruktur som svar på värme.

"Applikationerna som öppnas upp av möjligheten att snabbt konfigurera om metasytor är enorma, " säger Yifei Zhang, första författare till en uppsats som rapporterar de senaste framstegen i ett färskt nummer av Naturens nanoteknik . Zhang är doktorand vid Institutionen för materialvetenskap och teknik (DMSE). "Vi är glada eftersom det nuvarande arbetet övervinner flera hinder för att implementera dessa metasytor i verkliga applikationer."

Säger docent Arka Majumdar vid University of Washington, Seattle, av dessa applikationer:"Jag föreställer mig [att] denna teknik skulle kunna revolutionera optiska neurala nätverk, djupavkänning, och Lidar-teknik för autonoma bilar." Majumdar var inte involverad i forskningen.

Elektrisk strömbrytare

I den Naturens nanoteknik papper, MIT-forskarna beskriver hur man använder elektriska strömmar för att reversibelt ändra materialstrukturen – och därmed optiska egenskaper – hos den nya metaytan. Förr, de använde skrymmande lasrar eller en ugn för att leverera den nödvändiga värmen. "Detta är viktigt eftersom vi nu kan integrera hela den aktiva optiska enheten, tillsammans med den elektriska strömbrytaren, på ett kiselchip för att bilda en miniatyriserad optikplattform, " säger Juejun Hu, ledare för arbetet och en docent i materialvetenskap och teknik i DMSE.

Teamet rapporterar också att de demonstrerar "en serie inställbara optiska funktioner som använder plattformen, " säger Hu. Dessa inkluderar en strålstyrningsanordning där "genom att byta materialet till olika [inre] strukturer, vi kan skicka ljus i en riktning mot en annan, fram och tillbaka." Balkstyrning är nyckeln till självkörande bilar, även om Hu betonar att den enhet han och kollegor demonstrerade fortfarande är ganska rudimentär. "Det är mer ett principbevis."

Förutom Zhang och Hu, författare till den nya tidningen är Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios, och Tian Gu, hela MIT DMSE; Clayton Fowler, Sensong An, och Hualiang Zhang från University of Massachusetts, Lowell; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts, och Vladimir Liberman från MIT Lincoln Laboratory; Myungkoo Kang och Kathleen A. Richardson vid University of Central Florida, och Clara Rivero-Baleine från Lockheed Martin Corporation. Hu och Gu är också anslutna till MIT:s materialforskningslaboratorium.

Ett nytt material

Fasförändringsmaterial (PCM) ändrar sin struktur som svar på värme. De används kommersiellt i omskrivbara CD- och DVD-skivor. Förklarar Hu, "en laserstråle förändrar materialets struktur lokalt, från amorf till kristallin, och den förändringen kan användas för att koda ettor och nollor – digital information."

Dock, konventionella PCM har begränsningar när det gäller optiska applikationer. För en, de är ogenomskinliga. De låter inte ljus passera igenom. "Det motiverade oss att undersöka ett nytt fasförändringsmaterial för optiska enheter som är transparent, " säger Hu. Tidigare i år rapporterade hans team att lägga till ytterligare ett element, selen, till en konventionell PCM gjorde susen.

Det nya materialet, består av germanium, selen, antimon, och tellur (GSST), är nyckeln till den nya metaytan. Metaytan, i tur och ordning, är inte bara en tunn film av GSST, det är en film av GSST som bara är en halv millimeter kvadratisk mönstrad med ett hundratal, 000 strukturer i nanoskala. Och dessa, i tur och ordning, "låter dig kontrollera spridningen av ljus. Så du kan omvandla en samling av dessa nanostrukturer till, till exempel, en lins, " säger Hu.

Harish Bhaskaran är professor vid University of Oxford som inte var inblandad i forskningen. Han kommenterade arbetet som helhet och de framsteg som rapporterades i den nya tidningen:

"Detta är ett mycket viktigt arbetsområde eftersom sådana avstämbara metasytor, dvs. ytor som kan modulera reflektionen av ljus även om de nominellt är "platta" eller mycket tunna, är extremt intressanta. De kan dramatiskt minska mängden linser, som givetvis används i allt som manipulerar ljus. [MIT:s] användning av fasförändringsmaterial med låg förlust (dvs. de absorberar väldigt lite ljus) ger en riktig väg mot att göra detta till verklighet. Författarna är också bland de första som visar den dynamiska inställningen med hjälp av värmare som styrs elektriskt." (I samma nummer av Naturens nanoteknik ett team från Stanford rapporterar också att de kontrollerar metasytor med elektrisk uppvärmning på ett annat sätt.)

Enligt en News &Views-artikel i samma nummer av Naturens nanoteknik om framstegen från MIT och Stanford, "dessa verk gör ett genombrott i de avstämbara PCM-baserade metasytorna." Dock, News &Views-författarna betonar att båda metoderna har nackdelar.

Hu-teamet tar itu med några av dessa nackdelar. Till exempel, värmaren som används i deras miniatyriserade optikplattform är för närvarande gjord av metall. Men "metaller är problematiska för optik, eftersom de absorberar ljus, " säger Hu. "Vi arbetar på en ny värmare gjord av kisel som är transparent."

Hu beskriver arbetet överlag som särskilt spännande eftersom det började med upptäckten av ett nytt material som teamet sedan konstruerade för en ny applikation. "Detta går över från materialinnovation till enhetsintegration, vilket jag tycker är ganska unikt."

Arbetet stöddes av US Defense Advanced Research Projects Agency och US Air Force. Forskarna erkänner också användningen av faciliteter som tillhandahålls av MIT Materials Research Laboratory, MIT Microsystems Technology Laboratories, och Harvard University Center for Nanoscale Systems.