Nano-optiske antenner kan have en stor indflydelse

Antennen, en århundrede gammel teknologi, er overalt. Lytter du til radio? Ringer du op på din mobiltelefon? Surfer du på nettet over Wi-Fi? Antennen gjorde det hele muligt.

Små antenner: Dette billede viser en flad linse af metamateriale. Det konceptuelle billede til højre viser, hvordan sådan en linse, lavet af antenner i nanoskala, fokuserer lys; det sammensatte billede til venstre viser et fotografi af en sådan linse og faseforsinkelsen påført på bølgen på forskellige rumlige steder (den flerfarvede halvdel).

Nu ændrer antennen også optik.

På Federico Capasso 's laboratorium ved Harvard University, har forskere udtænkt en ny måde at manipulere lys ved hjælp af optiske antenner i nanoskala. De tager effektivt en radioantenne, bøjer den til et V og krymper den med en faktor på omkring en million for at skabe det, der kaldes en optisk resonator. Ved at mønstre en overflade med et antal af disse resonatorer, bøjet i forskellige vinkler - for at skabe det, der er kendt som en metasurface - opdagede de, at de kunne få lys til at gøre næsten alt, hvad de vil.

Her er hvad de har formået at lave indtil videre:

Spejle, der (synes at) overtræde refleksionens love
Vi lærte det i folkeskolen: indfaldsvinklen er lig med reflektionsvinklen. Send lys direkte mod et spejl, og det vil komme tilbage med det samme. Ikke mere. Forskernes antennebaserede metasurface-spejle reflekterer lys i vilkårlige retninger efter eget valg. Udover at give os en mere generel forståelse af refleksionens og brydningens fysik, giver disse enheder os mulighed for at kontrollere og omdirigere lys på stadig mere alsidige måder.

En flad linse så tynd som et hår
En linse, får vi at vide, er et rundt stykke glas med en bule i midten, der bruges til at bringe lys til et punkt. For at fokusere et kamera skal vi flytte objektivet frem og tilbage, indtil et billede bliver skarpere. Men hvad nu hvis fokuselementet kan laves kun 60 nanometer tykt, hele linsen er i bredden af ​​et par menneskehår? Hvad hvis vi ved at ændre formen på nogle bittesmå antenner i sådan en linse kan flytte fokus? Dette kunne gøre det muligt at miniaturisere billedbehandlingskomponenter som aldrig før.

Metamateriale bølgeplader
Konventionelt kræver roterende lyss polarisering, eller skift mellem lineær og cirkulær polarisering, specielle krystaller med brydningsindeks, der afhænger af, hvilken vej det indkommende lys er polariseret. Forskerne fandt ud af, at de kunne efterligne disse effekter med deres antennesystemer i stedet for. Da man ved at skifte lysets polarisering kunne kode data, har denne klasse af elementer potentielle anvendelser inden for kvanteoptisk databehandling og kommunikation.

Metamateriale Lab Optik
To almindelige laboratorieværktøjer er også blevet lavet om i metamaterialeform. Den første er en spiralfaseplade, som omdanner en normal laserplet til en donut-lysstråle med vinkelmomentum. Den resulterende hvirvelstråle, som den kaldes, kan sende oplyste partikler i kredsløb omkring sit mørke centrum. Det andet er et aksikon, et optisk element, der genererer en næsten diffraktionsfri Bessel bjælke , som kan bruges til præcist at positionere partikler i mikronstørrelse og flytte dem langs en veldefineret bane.

Sådan fungerer det:

Det viser sig, at disse optiske resonatorer ikke er så forskellige fra dagligdags antenner.

Lysets oscillerende elektriske felt driver elektroner op og ned i længden af ​​hver leder i antennen. I en modtager, såsom en tv-antenne, opfanges og behandles denne fluktuerende strøm. Men der er en sekundær effekt på arbejdet: accelererede ladninger udstråler også. Og det genudstrålede felt vil generelt afvige i polarisering, amplitude og fase. Hvor stor forskel afhænger af form, størrelse og orientering af hver resonator, og det er dette spredte felt, som forskerne manipulerer. Polarisering beskriver retningen af ​​det elektriske felt; amplitude angiver størrelsen af ​​svingningerne; og fasen markerer, hvor bølgen er i sin cyklus. Sammen med frekvens er de nok til fuldt ud at beskrive en lysstråle.

Konventionelle optiske elementer ændrer lysets fase og polarisering ved at passere det gennem materiale med varierende tykkelse. Tykkelsen skal måles omhyggeligt, krumningerne skal skæres præcist for at undgå fejl og defekter. Antennearrayet er i stand til at opnå det samme ved direkte at indstille den ønskede polarisation, amplitude og lysfase på hvert punkt i rummet, som om strålen lige var gået gennem en linse. På den måde bygges bølgen op pixel for pixel, nærmest digitalt.

I en afstand mindre end en bølgelængde over arrayet er den nye stråle allerede fuldt dannet. Dette gennembrud har uden tvivl bragt os den mest kompakte optik, som verden nogensinde har set. I et kommende papir i IEEE opsummerer forskerne deres resultater. De gennemgår videnskaben bag deres nye, antennebaserede metamateriale og opdaterer os om de fremskridt, de har gjort med at erstatte konventionel optik med disse flade alternativer.

Hvad er det: En klasse af optik, der for det meste er fri for de forvrængninger, der er fælles for deres konventionelle modstykker, som er lette at lave ved veletablerede udskrivningsmetoder og i det væsentlige todimensionelle.

Hvad det ikke er: Disse antenner er ikke generelt nyttige til at håndtere synlige bølgelængder af lys. Disse komponenter er heller ikke polarisationsvedligeholdende, da forskellige aspekter af bølgen (polarisering, fase, amplitude) manipuleres sammen, hvilket begrænser anvendelser. Et andet problem er ineffektivitet på grund af deres afhængighed af spredningsmekanismen.

Men selv med en sådan begrænsning, som eksemplerne ovenfor antyder, er der grund nok til at være begejstret.

skjule