Vlakke optische metasurfaces in geleidende kunststoffen bereiken 10-voudige prestatieboost

Door zorgvuldig nanostructuren op een plat oppervlak te plaatsen, hebben onderzoekers van Linköping University, Zweden, de prestaties van zogenaamde optische metasurfaces in geleidende kunststoffen aanzienlijk verbeterd. Dit is een belangrijke stap voor controleerbare platte optica, met toekomstige toepassingen zoals videologrammen, onzichtbaarheidsmaterialen en sensoren, evenals in biomedische beeldvorming.

De studie is geweest gepubliceerd in het dagboek Natuurcommunicatie.

Om licht te regelen, worden tegenwoordig gebogen lenzen gebruikt, die vaak zijn gemaakt van glas dat concaaf of convex is, die het licht op verschillende manieren breekt. Dit soort lenzen is te vinden in alles, van hightech-apparatuur zoals ruimtetelescopen en radarsystemen tot dagelijkse items, waaronder cameralenzen en bril. Maar de glazen lenzen nemen ruimte in beslag en het is moeilijk om ze kleiner te maken zonder hun functie in gevaar te brengen.

Met platte lenzen kan het echter mogelijk zijn om zeer kleine optica te maken en ook nieuwe toepassingsgebieden te vinden. Ze staan ​​bekend als metalsen en zijn voorbeelden van optische metasurfaces die een snel groeiend onderzoeksgebied vormen met een groot potentieel, hoewel de technologie momenteel zijn beperkingen heeft.

“Metasurfaces werken op een manier dat nanostructuren in patronen op een plat oppervlak worden geplaatst en ontvangers worden voor licht. Elke ontvanger, of antenne, legt het licht op een bepaalde manier vast en samen kunnen deze nanostructuren het licht laten worden gecontroleerd zoals u wenst,” zegt Magnus Jonsson, professor van toegepaste fysica aan de Linköping University.

Tegenwoordig zijn er optische metasurfaces gemaakt van bijvoorbeeld goud- of titaniumdioxide. Maar een grote uitdaging is dat de functie van de metasurfaces niet kan worden aangepast na de productie. Zowel onderzoekers als de industrie hebben om functies gevraagd, zoals in staat zijn om metasurfaces aan en uit te schakelen of het brandpunt van een metals dynamisch te veranderen.

Maar in 2019 toonde de onderzoeksgroep van Jonsson bij het Laboratory of Organic Electronics aan dat geleidende kunststoffen (geleidende polymeren) die noot kunnen kraken. Ze toonden aan dat het plastic optisch kon functioneren als een metaal en dus worden gebruikt als een materiaal voor antennes die een metasurface bouwen.

Dankzij het vermogen van de polymeren om te oxideren en te verminderen, konden de nanoantennes worden ingeschakeld. De prestaties van metasurfaces die zijn gebouwd uit geleidende polymeren zijn echter beperkt en niet vergelijkbaar met metasurfaces gemaakt van traditionele materialen.

Nu is hetzelfde onderzoeksteam erin geslaagd de prestaties tot 10-voudig te verbeteren. Door precies de afstand tussen de antennes te regelen, kunnen deze elkaar helpen dankzij een soort resonantie die de lichte interactie versterkt, collectieve roosterresonantie genoemd.

“We laten zien dat metasurfaces gemaakt van het uitvoeren van polymeren in staat lijken voldoende hoge prestaties te bieden om relevant te zijn voor praktische toepassingen”, zegt Dongqing Lin, die hoofdauteur is van de studie en postdoc in de onderzoeksgroep.

Tot nu toe hebben de onderzoekers in staat geweest om controleerbare antennes te produceren door polymeren uit te voeren voor infraroodlicht, maar niet voor zichtbaar licht. De volgende stap is om het materiaal te ontwikkelen dat ook functioneel is in het zichtbare lichtspectrum.