![MIT Graduate Student Yifei Zhang bezit het nieuwe meta-oppervlak, of plat optisch apparaat met een patroon van zo'n 100.000 nanoschaalstructuren, dat is geïntegreerd op een siliciumchip en elektrisch kan worden geactiveerd. Krediet: Yifei Zhang Afstembare](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/tunable-metasurface-is.jpg)
MIT Graduate Student Yifei Zhang bezit het nieuwe meta-oppervlak, of plat optisch apparaat met een patroon van zo’n 100.000 nanoschaalstructuren, dat is geïntegreerd op een siliciumchip en elektrisch kan worden geactiveerd. Krediet: Yifei Zhang
MIT-ingenieurs en collega’s melden belangrijke nieuwe ontwikkelingen op een afstembaar meta-oppervlak, of een plat optisch apparaat met structuren op nanoschaal, die ze vergelijken met een Zwitsers zakmes, terwijl zijn passieve voorganger kan worden gezien als slechts één hulpmiddel, zoals een platte schroevendraaier. De sleutel tot het werk is een transparant materiaal dat door het team is ontdekt en dat snel en omkeerbaar zijn atomaire structuur verandert als reactie op hitte.
“De toepassingen die worden geopend door de mogelijkheid om meta-oppervlakken snel opnieuw te configureren, zijn enorm”, zegt Yifei Zhang, eerste auteur van een paper waarin de laatste ontwikkelingen in een recent nummer van Natuur Nanotechnologie. Zhang is een afgestudeerde student aan het Department of Materials Science and Engineering (DMSE). “We zijn enthousiast omdat het huidige werk verschillende obstakels overwint om deze meta-oppervlakken in echte toepassingen te implementeren.”
Universitair hoofddocent Arka Majumdar van de Universiteit van Washington, Seattle, zegt over die toepassingen: “Ik stel me voor dat [that] deze technologie kan een revolutie teweegbrengen in optische neurale netwerken, dieptewaarneming en Lidar-technologie voor autonome auto’s.” Majumdar was niet betrokken bij het onderzoek.
Elektrische schakelaar:
In de Natuur Nanotechnologie paper beschrijven de MIT-onderzoekers het gebruik van elektrische stromen om de materiaalstructuur – en dus optische eigenschappen – van het nieuwe meta-oppervlak omkeerbaar te veranderen. Vroeger gebruikten ze logge lasers of een oven om de nodige warmte te leveren. “Dit is belangrijk omdat we nu het volledige actieve optische apparaat, samen met de elektrische schakelaar, op een siliciumchip kunnen integreren om een geminiaturiseerd optisch platform te vormen”, zegt Juejun Hu, leider van het werk en een universitair hoofddocent Materials Science and Engineering in DMSE.
![Close-up van het nieuwe MIT-meta-oppervlak, of plat optisch apparaat met een patroon van zo'n 100.000 nanoschaalstructuren, dat is geïntegreerd op een siliciumchip en elektrisch kan worden geactiveerd. Krediet: Yifei Zhang Afstembare](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/tunable-metasurface-is-1.jpg)
Close-up van het nieuwe MIT-meta-oppervlak, of plat optisch apparaat met een patroon van zo’n 100.000 nanoschaalstructuren, dat is geïntegreerd op een siliciumchip en elektrisch kan worden geactiveerd. Krediet: Yifei Zhang
Het team meldt ook dat het “een reeks afstembare optische functies met behulp van het platform demonstreert”, zegt Hu. Deze omvatten een straalbesturingsinrichting waarbij “door het materiaal over te schakelen naar verschillende” [internal] constructies, kunnen we licht de ene richting op de andere sturen, heen en weer.” Beam steering is de sleutel tot zelfrijdende auto’s, hoewel Hu benadrukt dat het apparaat dat hij en zijn collega’s demonstreerden nog vrij rudimentair is. “Het is meer een proof of principle. ”
Naast Zhang en Hu zijn de auteurs van het nieuwe artikel Junhao Liang, Bilal Azhar, Mikhail Y. Shalaginov, Skylar Deckoff-Jones, Carlos Rios en Tian Gu, allen van MIT DMSE; Clayton Fowler, Sensong An en Hualiang Zhang van de Universiteit van Massachusetts, Lowell; Jeffrey B. Chou, Christopher M. Roberts en Vladimir Liberman van het MIT Lincoln Laboratory; Myungkoo Kang en Kathleen A. Richardson van de University of Central Florida, en Clara Rivero-Baleine van Lockheed Martin Corporation. Hu en Gu zijn ook verbonden aan MIT’s Materials Research Laboratory.
Een nieuw materiaal
Phase-change materialen (PCM’s) veranderen hun structuur als reactie op warmte. Ze worden commercieel gebruikt in herschrijfbare cd’s en dvd’s. Hu legt uit: “een laserstraal verandert de structuur van het materiaal lokaal, van amorf in kristallijn, en die verandering kan worden gebruikt om enen en nullen te coderen – digitale informatie.”
Conventionele PCM’s hebben echter beperkingen als het gaat om optische toepassingen. Ten eerste zijn ze ondoorzichtig. Ze laten geen licht door. “Dat motiveerde ons om te kijken naar een nieuw faseovergangsmateriaal voor optische apparaten dat transparant is”, zegt Hu. Eerder dit jaar meldde zijn team dat het toevoegen van een ander element, selenium, aan een conventionele PCM de juiste oplossing was.
Het nieuwe materiaal, bestaande uit germanium, selenium, antimoon en tellurium (GSST), is de sleutel tot het nieuwe metaoppervlak. Het meta-oppervlak is op zijn beurt niet alleen een dunne film van GSST, het is een film van GSST van slechts ongeveer een halve vierkante millimeter patroon met zo’n 100.000 nanoschaalstructuren. En deze, op hun beurt, “laten je toe om de voortplanting van licht te beheersen. Je kunt een verzameling van deze nanostructuren dus transformeren in bijvoorbeeld een lens”, zegt Hu.
Harish Bhaskaran is een professor aan de Universiteit van Oxford die niet betrokken was bij het onderzoek. Hij gaf commentaar op het werk als geheel en op de vorderingen die in het nieuwe artikel worden vermeld:
“Dit is een zeer belangrijk werkgebied, aangezien dergelijke afstembare meta-oppervlakken, dwz oppervlakken die de reflectie van licht kunnen moduleren, ook al zijn ze nominaal ‘plat’ of erg dun, buitengewoon interessant zijn. Ze kunnen het grootste deel van de lenzen drastisch verminderen, wat worden natuurlijk gebruikt in alles wat licht manipuleert. [MIT’s] het gebruik van faseovergangsmaterialen met weinig verlies (dwz ze absorberen heel weinig licht) biedt een echte weg om dit te realiseren. De auteurs zijn ook een van de eersten die de dynamische afstemming laten zien met behulp van kachels die elektrisch worden aangestuurd.” (In hetzelfde nummer van Natuur Nanotechnologie een team van Stanford meldt ook dat de meta-oppervlakken met elektrische verwarming op een andere manier worden bestuurd.)
Volgens een Nieuws & Bekeken artikel in hetzelfde nummer van Natuur Nanotechnologie over de vorderingen van het MIT en Stanford, “maken deze werken een doorbraak in de afstembare PCM-gebaseerde meta-oppervlakken.” De auteurs van News & Views benadrukken echter dat beide benaderingen nadelen hebben.
Het Hu-team pakt enkele van die nadelen aan. Zo is de verwarming die wordt gebruikt in hun geminiaturiseerde optiekplatform momenteel gemaakt van metaal. Maar “metalen zijn problematisch voor optica, omdat ze licht absorberen”, zegt Hu. “We werken aan een nieuwe heater van silicium die transparant is.”
Hu beschrijft het werk in het algemeen als bijzonder opwindend omdat het begon met de ontdekking van een nieuw materiaal dat het team vervolgens ontwikkelde voor een nieuwe toepassing. “Dit gaat van materiaalinnovatie tot apparaatintegratie, wat volgens mij vrij uniek is.”
Het werk werd ondersteund door het US Defense Advanced Research Projects Agency en de US Air Force. De onderzoekers erkennen ook het gebruik van faciliteiten van het MIT Materials Research Laboratory, de MIT Microsystems Technology Laboratories en het Harvard University Center for Nanoscale Systems.
Yifei Zhang et al, Elektrisch herconfigureerbaar niet-vluchtig meta-oppervlak met behulp van verliesarm optisch faseovergangsmateriaal, Natuur Nanotechnologie (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00881-9
Natuur Nanotechnologie
Geleverd door Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology