Instelbare metasurface kan optisch licht in ruimte en tijd regelen, wat een pad biedt naar draadloze communicatiekanalen

Het is een tafereel dat velen van ons wel kennen: je zit op je laptop te werken in het plaatselijke koffiehuis, samen met misschien wel een half dozijn andere laptopgebruikers. Jullie proberen allemaal websites te laden of high-definition video’s te streamen, en jullie snakken allemaal naar meer bandbreedte.

Stel je nu voor dat ieder van jullie een speciaal draadloos kanaal voor communicatie had dat honderden keren sneller was dan de wifi die we vandaag de dag gebruiken, met honderden keren meer bandbreedte. Die droom is misschien niet ver weg dankzij de ontwikkeling van metasurfaces: kleine, geconstrueerde platen die licht kunnen reflecteren en op andere manieren kunnen richten.

In een artikel met de titel “Electrically tunable space-time metasurfaces at optical frequencies” gepubliceerd in het dagboek Natuur Nanotechnologie, Een team van Caltech-ingenieurs meldt dat ze een dergelijk metasurface hebben gebouwd, voorzien van minuscule, afstembare antennes die in staat zijn een inkomende bundel optisch licht te reflecteren om vele zijbanden, of kanalen, met verschillende optische frequenties te creëren.

“Met deze metasurfaces hebben we kunnen aantonen dat er één lichtbundel binnenkomt en er meerdere lichtbundels uitgaan, elk met een andere optische frequentie en in verschillende richtingen”, aldus Harry Atwater, de Otis Booth Leadership Chair van de afdeling Engineering and Applied Science, de Howard Hughes hoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde en hoofdauteur van het nieuwe artikel.

“Het werkt als een heel arsenaal aan communicatiekanalen. En we hebben een manier gevonden om dit te doen voor signalen in de vrije ruimte in plaats van signalen die via een optische vezel worden vervoerd.”

Het werk wijst op een veelbelovende route voor de ontwikkeling van niet alleen een nieuw type draadloos communicatiekanaal, maar ook mogelijk nieuwe technologieën voor afstandsbepaling en zelfs een nieuwe manier om grotere hoeveelheden gegevens van en naar de ruimte te sturen.

Verder gaan dan conventionele optische elementen

Prachi Thureja, een doctoraalstudent in de groep van Atwater en mede-hoofdauteur van het nieuwe artikel, zegt dat je om hun werk te begrijpen eerst het woord ‘metasurface’ moet overwegen. De wortel ‘meta’ komt van een Grieks voorvoegsel dat ‘voorbij’ betekent.

Metasurfaces zijn ontworpen om verder te gaan dan wat we kunnen doen met conventionele omvangrijke optische elementen, zoals camera- of microscooplenzen. De multilayer transistor-achtige apparaten zijn ontworpen met een zorgvuldig geselecteerd patroon van nanoschaalantennes die licht kunnen reflecteren, verstrooien of anderszins kunnen regelen.

Deze platte apparaten kunnen licht focussen, in de stijl van een lens, of reflecteren, als een spiegel, door strategisch een reeks nanoschaalelementen te ontwerpen die de manier waarop licht reageert, veranderen.

Veel eerder werk met metasurfaces richtte zich op het creëren van passieve apparaten met een enkele lichtsturende functionaliteit die in de tijd vastligt. Daarentegen richt Atwaters groep zich op wat bekend staat als actieve metasurfaces.

“We kunnen nu een externe stimulus, zoals een reeks verschillende spanningen, op deze apparaten toepassen en afstemmen tussen verschillende passieve functionaliteiten”, zegt Jared Sisler, eveneens een doctoraalstudent in het laboratorium van Atwater en medehoofdauteur van het artikel.

In het nieuwste werk beschrijft het team wat zij een ruimte-tijdmetasurface noemen, dat licht in specifieke richtingen en ook op specifieke frequenties kan weerkaatsen (een functie van tijd, aangezien frequentie wordt gedefinieerd als het aantal golven dat per seconde een punt passeert).

Dit metasurface-apparaat, waarvan de kern slechts 120 micron breed en 120 micron lang is, werkt in reflectiemodus op optische frequenties die doorgaans worden gebruikt voor telecommunicatie, specifiek op 1.530 nanometer. Dit is duizenden keren hoger dan radiofrequenties, wat betekent dat er veel meer beschikbare bandbreedte is.

Bij radiofrequenties kan elektronica een lichtbundel gemakkelijk in verschillende richtingen sturen. Dit wordt routinematig bereikt door de radarnavigatieapparaten die in vliegtuigen worden gebruikt. Maar er zijn momenteel geen elektronische apparaten die dit kunnen doen bij veel hogere optische frequenties. Daarom moesten de onderzoekers iets anders proberen, namelijk de eigenschappen van de antennes zelf veranderen.

Sisler en Thureja creëerden hun metasurface om te bestaan ​​uit gouden antennes, met een onderliggende elektrisch afstembare halfgeleiderlaag van indiumtinoxide. Door een bekend spanningsprofiel over het apparaat aan te brengen, kunnen ze lokaal de dichtheid van elektronen in de halfgeleiderlaag onder elke antenne moduleren, waardoor de brekingsindex (het lichtbuigende vermogen van het materiaal) verandert.

“Doordat we de ruimtelijke configuratie van verschillende spanningen over het apparaat hebben, kunnen we het gereflecteerde licht in realtime onder specifieke hoeken omleiden, zonder dat we grote componenten hoeven te verwisselen”, aldus Thureja.

“We hebben een invallende laser die ons metasurface raakt op een bepaalde frequentie, en we moduleren de antennes op tijd met een hoogfrequent spanningssignaal. Dit genereert meerdere nieuwe frequenties, of zijbanden, die worden gedragen door het invallende laserlicht en kunnen worden gebruikt als kanalen met hoge datasnelheid voor het verzenden van informatie. Bovendien hebben we nog steeds ruimtelijke controle, wat betekent dat we kunnen kiezen waar elk kanaal in de ruimte naartoe gaat,” legt Sisler uit.

“We genereren frequenties en sturen ze in de ruimte. Dat is de ruimte-tijdcomponent van dit metasurface.”

Kijken naar de toekomst

Volgens het team is niet alleen aangetoond dat een dergelijk metaoppervlak licht kan splitsen en herleiden op optische frequenties in de vrije ruimte (in plaats van in optische vezels), maar wijst het werk ook op verschillende mogelijke toepassingen.

Deze metasurfaces kunnen nuttig zijn in LiDAR-toepassingen, het licht-equivalent van radar, waarbij licht wordt gebruikt om de diepte-informatie van een driedimensionale scène vast te leggen. De ultieme droom is om een ​​”universeel metasurface” te ontwikkelen dat meerdere optische kanalen zou creëren, die elk informatie in verschillende richtingen in de vrije ruimte zouden dragen.

“Als optische metasurfaces een realiseerbare technologie worden die snel groeit, kun je over tien jaar met een groep andere mensen in een Starbucks achter hun laptop zitten en in plaats van dat iedereen een radiofrequent wifi-signaal krijgt, krijgt iedereen zijn eigen, zeer nauwkeurige lichtbundelsignaal”, aldus Atwater, die ook directeur is van de Liquid Sunlight Alliance bij Caltech.

“Eén metavlak kan een andere frequentie naar elke persoon uitstralen.”

De groep werkt samen met het Optical Communications Laboratory bij JPL, dat werkt aan het gebruik van optische frequenties in plaats van radiofrequentiegolven voor communicatie met ruimtemissies, omdat dit de mogelijkheid zou bieden om veel meer data op hogere frequenties te versturen. “Deze apparaten zouden perfect zijn voor wat ze doen,” zegt Sisler.