새로운 조정 가능한 스마트 표면은 단일 광 펄스를 각각 다른 방향을 향하는 여러 빔으로 변환할 수 있습니다. 원리 증명 개발은 통신, 이미징, 감지 및 의학 분야에서 다양한 혁신으로 가는 문을 엽니다.
이 연구는 Caltech 연구실에서 나왔습니다. 해리 애트워터응용 물리학 및 재료 과학 교수이며 나노 엔지니어링 재료 유형으로 인해 가능합니다. 메타서피스. “이것은 기본적으로 나노 구조 패턴으로 구성된 인공적으로 설계된 표면입니다.”라고 말합니다. 프라치 투레자Atwater 그룹의 대학원생. “그래서 그것은 나노구조의 배열이고, 각 나노구조는 본질적으로 우리가 빛의 속성을 국소적으로 제어할 수 있게 해줍니다.”
표면은 초당 수백만 번까지 재구성되어 빛을 지역적으로 제어하는 방식을 변경할 수 있습니다. 이는 광 데이터 전송과 같은 응용 분야에서 빛을 조작하고 재지정하기에 충분히 빠릅니다. 광공간통신 그리고 라이파이게다가 라이더.
“[The metasurface] “빛을 제어하는 데 있어 전례 없는 자유를 제공합니다.”라고 말합니다. 알렉스 MH 웡전기공학과 준교수 홍콩 시립 대학. “이렇게 할 수 있는 능력은 기존 무선 기술을 광 체제로 이전할 수 있다는 것을 의미합니다. Li-Fi와 LIDAR가 대표적인 예입니다.”
메타표면은 렌즈와 거울의 필요성을 제거합니다.
빛의 빔을 조작하고 방향을 바꾸는 데는 일반적으로 다양한 기존 렌즈와 거울이 필요합니다. 이러한 렌즈와 거울은 크기가 미세할 수 있지만 여전히 다음과 같은 재료의 광학적 특성을 사용합니다. 스넬의 법칙이는 파면이 다양한 재료를 통과하여 진행되는 과정과 파면이 재료 자체의 속성에 따라 어떻게 방향이 바뀌거나 굴절되는지를 설명합니다.
이와 대조적으로, 새로운 연구는 반도체 물질을 통해 물질의 광학적 특성을 전기적으로 조작할 수 있는 가능성을 제공합니다. 나노 크기의 거울 요소와 결합하면, 평평하고 미세한 장치는 구부러지거나 구부러진 유리의 길이가 필요 없이 렌즈처럼 작동하도록 만들 수 있습니다. 그리고 새로운 메타표면의 광학적 특성은 전기 신호를 사용하여 초당 수백만 번 전환할 수 있습니다.
논문 공동 저자는 “우리 장치의 차이점은 장치에 다른 전압을 적용함으로써 물리적으로 움직이지 않더라도 거울에서 나오는 빛의 프로필을 변경할 수 있다는 것입니다.”라고 말했습니다. 자레드 시슬러—Atwater 그룹의 대학원생이기도 합니다. “그러면 우리는 마치 전기적으로 재프로그래밍 가능한 거울처럼 빛을 조종할 수 있습니다.”
각 면이 120마이크로미터인 칩인 이 장치 자체는 인듐 주석 산화물 반도체 층에 작은 금 안테나를 내장하여 빛 조작 기능을 구현합니다. 반도체의 전압을 조작하면 재료의 빛 구부리기 능력이 변경됩니다. 굴절률금 거울 요소의 반사와 반도체의 조정 가능한 굴절 용량 사이에서 빠르게 조정 가능한 많은 빛 조작이 가능해집니다.
“저는 고체 메타표면이나 광학 장치를 사용하여 우주에서 빛을 조종하고 정보를 인코딩하는 데 사용한다는 전체적인 아이디어가 있다고 생각합니다. 지금 당장은 그런 것이 존재하지 않습니다.” 시슬러가 말합니다. “그러니까 기술적으로 더 높은 변조율을 달성할 수 있다면 더 많은 정보를 보낼 수 있습니다. 하지만 새로운 영역이기 때문에 저희 장치의 성능은 원리를 보여주는 데 더 가깝습니다.”
메타표면은 많은 새로운 가능성을 열어줍니다
웡은 이 원리가 가까운 미래에 메타표면이 개발되고 발견될 가능성이 높기 때문에 다양한 미래 기술을 제시한다고 말합니다.
“메타표면 [can] Wong은 “평평하고, 초박형이며, 가벼우면서도 일련의 조심스럽게 휘어진 렌즈에서 일반적으로 달성되는 기능을 달성합니다.”라고 말합니다. “과학자들은 현재도 메타서페이스가 우리에게 제공할 수 있는 방대한 가능성을 여전히 열어두고 있습니다.
“나노 제작의 개선으로 파장보다 훨씬 작은 작은 특징 크기를 가진 소자를 이제 안정적으로 제작할 수 있습니다.” 웡이 계속 말했습니다. “메타표면의 많은 기능이 일상적으로 시연되고 있으며, 통신뿐만 아니라 이미징, 감지, 의학 등 다른 분야에도 도움이 됩니다… 학계의 관심 외에도 업계의 다양한 참여자들도 이 기술을 상용화하기 위해 깊은 관심을 가지고 상당한 투자를 하고 있다는 것을 알고 있습니다.”
