Η επαναδιαμορφώσιμη μετα-επιφάνεια κατευθύνει το ασυνάρτητο φως σε λιγότερο από ένα picosecond

Αντλώντας από τις τελευταίες εξελίξεις στις μεταεπιφάνειες και τα νανοφωτονικά, ερευνητές στις ΗΠΑ σχεδίασαν μια νέα πηγή φωτός που μπορεί να κατευθύνει δέσμες ασυνάρτητου φωτός σε εξαιρετικά σύντομες χρονικές κλίμακες. Αναπτύχθηκε από Ίγκαλ Μπρένερ και τους συναδέλφους στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia στο Νέο Μεξικό, η πηγή διαθέτει μια επαναδιαμορφώσιμη μετα-επιφάνεια που είναι ενσωματωμένη με κβαντικές κουκκίδες. Με περαιτέρω ανάπτυξη, η ιδέα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των οθονών εικονικής πραγματικότητας, των αισθητήρων για αυτόνομα οχήματα και των συστημάτων φωτισμού.

Μια οπτική μετα-επιφάνεια περιλαμβάνει ένα σχέδιο από μικροσκοπικά στοιχεία, καθένα από τα οποία αλληλεπιδρά με το φως. Οι οπτικές ιδιότητες μιας μεταεπιφάνειας προκύπτουν από τη συλλογική επίδραση αυτών των εξαρτημάτων και οι μεταεπιφάνειες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία χρήσιμων οπτικών στοιχείων, όπως επίπεδων φακών. Οι επαναδιαμορφώσιμες μεταεπιφάνειες έχουν οπτικές ιδιότητες που μπορούν να αλλάξουν με ελεγχόμενους τρόπους, ανοίγοντας ακόμη περισσότερες πιθανές εφαρμογές.

Πρόσφατα, οι ερευνητές δημιούργησαν επαναδιαμορφώσιμες μεταεπιφάνειες που μπορούν να κατευθύνουν το φως λέιζερ σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις. Αυτό ήταν δυνατό επειδή το φως λέιζερ είναι συνεκτικό – όλο το φως είναι σε φάση και στο ίδιο μήκος κύματος.

Ωστόσο, αυτό το σύστημα διεύθυνσης δέσμης δεν έχει επιτευχθεί για το ασυνάρτητο φως που εκπέμπεται από καθημερινές πηγές όπως τα LED και οι λαμπτήρες πυρακτώσεως. «Προς το παρόν, δεν υπάρχει «συσκευή» που να μπορεί να εκπέμπει φως όπως ένα LED και να κατευθύνει δυναμικά την εκπομπή προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση ταυτόχρονα», εξηγεί ο Brener.

Κβαντικές κουκκίδες

Στη μελέτη τους, η ομάδα Sandia αντιμετώπισε αυτό το μειονέκτημα σχεδιάζοντας μια νέα μετα-επιφάνεια. Ο σχεδιασμός τους διαθέτει μια μεταεπιφάνεια ενσωματωμένη σε κβαντική κουκκίδα τοποθετημένη σε έναν διαθλαστικό καθρέφτη Bragg. Αυτός είναι ένας καθρέφτης που αποτελείται από πολλαπλά, περιοδικά διατεταγμένα στρώματα με ποικίλους δείκτες διάθλασης. Ένας καθρέφτης Bragg αντανακλά το φως σε μια στενή ζώνη μηκών κύματος, ενώ επιτρέπει σε άλλο φως να περάσει.

Κάθε κβαντική κουκκίδα εκπέμπει ασυνάρτητο φως και στα πειράματά της, η ομάδα του Brener παρατήρησε ότι η μετα-επιφάνεια προκάλεσε το ασυνάρτητο φως από τις κβαντικές κουκκίδες να υποστεί αλλαγές φάσης. Αυτές οι αλλαγές εμποδίζουν το φως να εξαπλωθεί σε ένα ευρύ φάσμα γωνιών - και αντ' αυτού προκαλούν μεγάλο μέρος του φωτός να διαδίδεται προς μία κατεύθυνση.

Η κατεύθυνση διάδοσης του φωτός ελέγχεται με την εκτόξευση δύο διαφορετικών παλμών λέιζερ στη μετα-επιφάνεια. Ο ένας παλμός τροποποιεί προσωρινά τον δείκτη διάθλασης της μεταεπιφάνειας, ενώ ο άλλος παλμός αναγκάζει τις κβαντικές κουκκίδες να εκπέμπουν φως. Αυτή η τροποποίηση είναι που κατευθύνει το εκπεμπόμενο φως.

«Καταφέραμε να κατευθύνουμε την ασυνάρτητη εκπομπή από κβαντικές κουκκίδες που είναι ενσωματωμένες στη μεταεπιφάνεια σε μια περιοχή 70 μοιρών», εξηγεί ο Brener. Επιπλέον, το φως μπορεί να κατευθύνεται σε χρονικές κλίμακες υπο-picosecond.

Ο Brener επισημαίνει ότι η σχεδίαση είναι ως επί το πλείστον απλώς μια απόδειξη της ιδέας προς το παρόν, με πολλά περιθώρια για μελλοντική βελτίωση. «Σε μια τελική συσκευή, αυτό το μοτίβο θα έπρεπε να διαμορφωθεί εκ νέου ηλεκτρικά, έτσι ώστε στο τέλος να έχετε έναν συνδυασμό LED και αρκετών άλλων επαφών για να επαναπρογραμματίσετε τη γωνία εκπομπής», λέει.

Χρειάζεται περισσότερη ανάπτυξη

Η ομάδα αναγνωρίζει ότι η εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας της είναι πιθανόν ακόμη αρκετά χρόνια μακριά. Ωστόσο, με βάση τα αποτελέσματα που έχουν επιτύχει μέχρι στιγμής, ελπίζουν ότι άλλοι ερευνητές θα αρχίσουν να σκέφτονται το ευρύ φάσμα τεχνολογιών που θα μπορούσαν να ωφεληθούν από τον ελεγχόμενο χειρισμό του ασυνάρτητου φωτός.

Η μεταεπιφάνεια μικροκυμάτων αναδιαμορφώνεται με τη χρήση βηματικών κινητήρων

«Ίσως αυτός ο τύπος συσκευής θα μπορούσε να αντικαταστήσει τα κατευθυνόμενα λέιζερ», λέει ο Brener, προσθέτοντας ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα συστήματα φωτισμού.

Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν μικρές οθόνες που μπορούν να προβάλλουν ολογραφικές εικόνες απευθείας στο μάτι χρησιμοποιώντας LED χαμηλής κατανάλωσης. Αυτό θα ήταν ιδιαίτερα χρήσιμο για συσκευές εικονικής και επαυξημένης πραγματικότητας — καθιστώντας τις πολύ απλούστερες και φθηνότερες από τα συστήματα που βασίζονται σε λέιζερ. Αλλού, η μεταεπιφάνεια θα μπορούσε να είναι χρήσιμη στην τηλεπισκόπηση. Αυτό περιλαμβάνει τα συστήματα LIDAR που χρησιμοποιούνται από αυτόνομα οχήματα για να οπτικοποιήσουν το περιβάλλον τους.

Η έρευνα περιγράφεται στο Nature Photonics.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/reconfigurable-metasurface-steers-incoherent-light-in-less-than-a-picosecond/