Postęp technologiczny w dziedzinie soczewek optycznych od dawna jest ważnym wyznacznikiem osiągnięć naukowych człowieka. Okulary, teleskopy, aparaty fotograficzne i mikroskopy pozwoliły nam dosłownie i w przenośni zobaczyć świat w nowym świetle. Soczewki są także podstawowym elementem produkcji nanoelektroniki w przemyśle półprzewodnikowym.
Jednym z najbardziej znaczących przełomów w technologii soczewek w najnowszej historii było opracowanie metasfery fotonicznej - sztucznie zaprojektowanych materiałów w skali nano o niezwykłych właściwościach optycznych. Naukowcy z Georgia Tech, stojący na czele tej technologii, zademonstrowali niedawno w badaniach opublikowanych w Nature Communications pierwszą w historii przestrajalną elektrycznie fotoniczną platformę metasfery.
"Metasfery mogą sprawić, że układy optyczne będą bardzo cienkie, a ponieważ stają się łatwiejsze do kontrolowania i dostrajania, wkrótce będzie można je znaleźć w aparatach telefonów komórkowych i podobnych elektronicznych systemach obrazowania" - powiedział Ali Adibi, profesor w Szkole Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej na Georgia Institute of Technology.
Wyraźne możliwości dostrajania uzyskane dzięki nowej platformie stanowią istotny postęp w rozwoju zminiaturyzowanych rekonfigurowalnych metapowierzchni. Wyniki badań wykazały rekordową, jedenastokrotną zmianę właściwości odbijających, duży zakres spektralnego dostrajania działania i znacznie większą szybkość dostrajania.
Podgrzewanie metasurfaców
Metasfery to klasa materiałów nanofotonicznych, w których duża liczba zminiaturyzowanych elementów została zaprojektowana w taki sposób, aby w kontrolowany sposób wpływać na transmisję i odbicie światła o różnych częstotliwościach.
"Przy oglądaniu pod bardzo silnym mikroskopem metasfery wyglądają jak periodyczna tablica słupków" - mówi Adibi. "Najlepszą analogią byłoby pomyślenie o wzorze LEGO utworzonym przez połączenie wielu podobnych klocków LEGO obok siebie".
Od czasu ich powstania metasfery były wykorzystywane do demonstrowania, że bardzo cienkie urządzenia optyczne mogą wpływać na propagację światła, przy czym najbardziej rozwiniętym zastosowaniem są metalsoczewki (tworzenie cienkich soczewek).
Pomimo imponującego postępu, większość zademonstrowanych metasurfaces jest pasywna, co oznacza, że ich działanie nie może być zmienione (lub dostrojone) po wyprodukowaniu. Praca przedstawiona przez Adibiego i jego zespół, kierowany przez doktoranta Sajjada Abdollahramezaniego, polega na zastosowaniu ciepła elektrycznego do specjalnej klasy materiałów nanofotonicznych w celu stworzenia platformy umożliwiającej łatwe wytwarzanie rekonfigurowalnych metapowierzchni o wysokim poziomie modulacji optycznej.
PCM dają odpowiedź
Do tworzenia metapowierzchni można użyć szerokiej gamy materiałów, w tym metali, tlenków i półprzewodników, ale badania Abdollahramezaniego i Adibiego koncentrują się na materiałach zmiennofazowych (PCM), ponieważ mogą one tworzyć najbardziej efektywne struktury przy najmniejszych rozmiarach elementów. PCM to substancje, które pochłaniają i oddają ciepło w procesie ogrzewania i chłodzenia. Nazywa się je materiałami "zmiennofazowymi", ponieważ w procesie cyklu cieplnego przechodzą z jednego stanu krystalizacji w drugi. Najbardziej powszechnym przykładem jest woda przechodząca z cieczy w ciało stałe lub gaz.
Eksperymenty prowadzone przez zespół Georgia Tech są znacznie bardziej skomplikowane niż podgrzewanie i zamrażanie wody. Wiedząc, że właściwości optyczne PCM mogą być zmieniane przez lokalne podgrzewanie, zespół wykorzystał cały potencjał stopu PCM Ge2Sb2Te5 (GST), który jest związkiem germanu, antymonu i telluru.
Łącząc konstrukcję optyczną ze znajdującym się pod nią zminiaturyzowanym mikropodgrzewaczem elektrycznym, zespół może zmieniać fazę krystaliczną GST, co umożliwia aktywne dostrajanie urządzenia metapowierzchniowego. Wytworzone metasfery zostały opracowane w Instytucie Elektroniki i Nanotechnologii (IEN) w Georgia Tech i przetestowane w laboratoriach badawczych poprzez oświetlanie rekonfigurowalnych metasfer powierzchni światłem laserowym o różnych częstotliwościach i mierzenie właściwości odbitego światła w czasie rzeczywistym.
Jakie znaczenie dla przyszłości mają przestrajalne metasfery
Napędzane miniaturyzacją urządzeń i integracją systemów, a także zdolnością do selektywnego odbijania różnych kolorów światła, metasfery szybko zastępują nieporęczne zespoły optyczne z przeszłości. Oczekuje się natychmiastowego wpływu na takie technologie, jak systemy LiDAR dla samochodów autonomicznych, obrazowanie, spektroskopia i wykrywanie.
Jak twierdzą Abdollahramezani i Adibi, wraz z dalszym rozwojem można spodziewać się bardziej agresywnych zastosowań, takich jak informatyka, rzeczywistość rozszerzona, fotoniczne układy scalone dla sztucznej inteligencji oraz wykrywanie zagrożeń biologicznych.
"W miarę rozwoju platformy rekonfigurowalne metapowierzchnie znajdą się wszędzie" - powiedział Adibi. "Umożliwią one nawet mniejszym endoskopom dotarcie w głąb ciała w celu lepszego obrazowania i pomogą czujnikom medycznym wykrywać różne biomarkery we krwi".
Linki: itnews24.plitlife.pl
ofio.pl
youtube.com
Komentarze
Prześlij komentarz