Het verzamelen van kleine antennes kan in elke richting worden gepolariseerd en besturen

Antennes ontvangen en verzenden elektromagnetische golven, leveren informatie naar onze radio’s, televisies, mobiele telefoons en meer. Onderzoekers van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis stellen zich een toekomst voor waarin antennes nog meer toepassingen hervormen.

Hun nieuwe metasurfaces, ultradunne materialen gemaakt van kleine nanoantennas die zowel op zeer precieze manieren kunnen versterken en regelen, kunnen conventionele brekingsoppervlakken vervangen van bril naar lbrief tot smartphoneslenzen en dynamische toepassingen verbeteren, zoals augmented reality/virtual reality en Lidar (lichte detectie en variërend).

Hoewel metasurfaces licht zeer nauwkeurig en efficiënt kunnen manipuleren, waardoor krachtige optische apparaten mogelijk zijn, lijden ze vaak aan een belangrijke beperking: metasurfaces zijn zeer gevoelig voor de polarisatie van licht, wat betekent dat ze alleen kunnen interageren met licht dat georiënteerd en reizen in een bepaalde richting. Hoewel dit nuttig is in gepolariseerde zonnebrillen die verblinding blokkeren en in andere communicatie- en beeldvormingstechnologieën, vermindert het vereisen van een specifieke polarisatie de flexibiliteit en toepasbaarheid van metasurfaces drastisch.

Om dit obstakel te overwinnen, demonstreerde een team onder leiding van Mark Lawrence, een universitair docent in de Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering, polarisatie-onafhankelijke en zeer resonante metasurfaces die een hoge nauwkeurigheid en efficiëntie behouden. De resultaten zijn gepubliceerd in Nano letters.

“Wanneer we deze kleine antennes combineren om lichtgolven te vormen, kunnen we weggaan van het vertrouwen op gevormd glas of andere brekingsmaterialen,” zei Lawrence. “We kunnen onze apparaten verkleinen, ontwerpen en vormen zoals we leuk vinden, en nog steeds nauwkeurig en efficiënt licht manipuleren.”

De polarisatie-onafhankelijke metasurfaces van Lawrence hebben wat bekend staat als een factor van hoge kwaliteit, wat betekent dat ze lange tijd licht van een smalle band van resonantiefrequenties vangen, waardoor een sterke reactie op externe stimuli wordt gegenereerd. Deze gevoeligheid maakt verbeterde functionaliteit mogelijk die nieuwe toepassingen openen voor lichtvorming.

“We maken metasurfaces niet alleen kleiner, we sluiten ze in met nieuwe mogelijkheden,” voegde Lawrence toe. “Door bijvoorbeeld het licht in onze apparaten te versterken, kunnen we een bril maken die vertalen en inkomende informatie voor de drager kunnen begrijpen of programmeerbare lenzen maken die de focus veranderen of lichten precies sturen zoals de gebruiker wil.”

De eerdere herhalingen van het team van zeer resonante metasurfaces bereiken alleen deze geavanceerde eigenschappen wanneer ze worden verlicht met een specifieke polarisatie. Maar met een nieuwe benadering van de fabricage van metasurface is een polarisator niet langer vereist.

Lawrence en eerste-auteur Bo Zhao, een afgestudeerde student in de groep van Lawrence, hebben metasurfaces ontwikkeld met twee kruisgepolariseerde modi die onafhankelijk kunnen worden afgestemd en functioneren. Zorgvuldige afstemming en afstemming van de twee modi stelt de metasurface in staat om licht over meerdere polarisaties tegelijkertijd te manipuleren zonder verlies van efficiëntie of andere gewenste kwaliteiten.

De implicaties van dit werk gaan verder dan het verbeteren van de veelzijdigheid van metasurfaces. Door zeer resonerende polarisatie-onafhankelijke golffrontvorming mogelijk te maken, zouden de nieuwe metasurfaces kunnen helpen nieuwe methoden te ontgrendelen voor niet-lineaire generatie en het mengen van licht, wat mogelijk leidt tot doorbraken in signaalverwerking, het ontwerp van kwantumapparaten en andere beeldvormings- en detectietoepassingen.