Nano anteny optyczne mogą mieć duży wpływ

Antena, stuletnia technologia, jest wszędzie. Słuchanie radia? Dzwonisz na swój telefon komórkowy? Surfujesz po sieci przez Wi-Fi? Antena umożliwiła to wszystko.

Małe anteny: Ten obraz przedstawia płaską soczewkę z metamateriału. Obraz koncepcyjny po prawej pokazuje, jak taka soczewka, wykonana z anten w nanoskali, skupia światło; złożony obraz po lewej pokazuje zdjęcie takiej soczewki i opóźnienie fazowe zastosowane do fali w różnych położeniach przestrzennych (wielokolorowa połowa).

Teraz antena zmienia również optykę.

Na Federico Capasso W laboratorium Uniwersytetu Harvarda naukowcy opracowali nowy sposób manipulowania światłem za pomocą anten optycznych w nanoskali. Skutecznie biorą antenę radiową, zaginają ją w V i zmniejszają około milion razy, aby stworzyć tak zwany rezonator optyczny. Odwzorowując powierzchnię za pomocą wielu takich rezonatorów, wygiętych pod różnymi kątami – aby stworzyć coś, co nazywamy metapowierzchnią – odkryli, że mogą uzyskać światło, aby zrobić wszystko, czego chcą.

Oto, co udało im się do tej pory zrobić:

Lustra, które (wydaje się) naruszają prawa odbicia
Nauczyliśmy się tego w szkole podstawowej: kąt padania równa się kątowi odbicia. Wyślij światło prosto w lustro, a ono wróci. Nigdy więcej. Oparte na antenach lustra metapowierzchniowe naukowców odbijają światło w dowolnie wybranych kierunkach. Poza tym, że dają nam bardziej ogólne zrozumienie fizyki odbicia i załamania, urządzenia te pozwalają nam kontrolować i przekierowywać światło na coraz bardziej wszechstronne sposoby.

Płaski obiektyw tak cienki jak włos
Mówi się, że soczewka to okrągły kawałek szkła z wybrzuszeniem pośrodku, służący do doprowadzenia światła do punktu. Aby ustawić ostrość kamery, musimy przesuwać obiektyw do przodu i do tyłu, aż obraz wyostrzy się. Ale co, jeśli element ogniskujący może mieć grubość zaledwie 60 nanometrów, a cały obiektyw ma szerokość kilku ludzkich włosów? Co by było, gdyby zmieniając kształt niektórych maleńkich anten w takim obiektywie, moglibyśmy przesunąć ostrość? Mogłoby to pozwolić na miniaturyzację komponentów obrazujących jak nigdy dotąd.

Płyty falowe z metamateriału
Konwencjonalnie obracanie polaryzacji światła lub przełączanie między polaryzacją liniową a kołową wymaga specjalnych kryształów o współczynnikach załamania, które zależą od tego, jak spolaryzowane jest wchodzące światło. Naukowcy odkryli, że mogą naśladować te efekty za pomocą macierzy antenowych. Ponieważ poprzez przełączanie polaryzacji światła można było zakodować dane, ta klasa elementów ma potencjalne zastosowania w obliczeniach i komunikacji kwantowo-optycznej.

Optyka laboratoryjna metamateriałów
Dwa popularne narzędzia laboratoryjne również zostały przerobione w formie metamateriału. Pierwsza z nich to spiralna płyta fazowa, która zamienia zwykłą plamkę laserową na wiązkę światła o kształcie pierścienia z momentem pędu. Powstała wiązka wirowa, jak to się nazywa, może wysyłać oświetlone cząstki na orbitę wokół ciemnego środka. Drugi to aksikon, element optyczny, który generuje prawie bezdyfrakcyjne Belka Bessela , który może być używany do precyzyjnego pozycjonowania cząstek wielkości mikronów i przesuwania ich po dobrze określonej ścieżce.

Oto jak to działa:

Okazuje się, że te rezonatory optyczne nie różnią się zbytnio od zwykłych anten.

Oscylujące pole elektryczne światła napędza elektrony w górę iw dół wzdłuż każdego przewodnika w antenie. W odbiorniku, takim jak antena telewizyjna, ten zmienny prąd jest odbierany i przetwarzany. Ale istnieje efekt wtórny: przyspieszone ładunki również promieniują. Pole ponownie wypromieniowane będzie generalnie różnić się polaryzacją, amplitudą i fazą. Jak duża różnica zależy od kształtu, rozmiaru i orientacji każdego rezonatora, a naukowcy manipulują tym rozproszonym polem. Polaryzacja opisuje kierunek pola elektrycznego; amplituda podaje wielkość oscylacji; a faza oznacza, gdzie fala jest w swoim cyklu. Razem z częstotliwością wystarczają, aby w pełni opisać wiązkę światła.

Konwencjonalne elementy optyczne zmieniają fazę i polaryzację światła, przepuszczając je przez materiał o różnej grubości. Grubość należy dokładnie zmierzyć, a krzywizny precyzyjnie wyciąć, aby uniknąć błędów i defektów. Zestaw antenowy jest w stanie osiągnąć to samo, ustawiając bezpośrednio pożądaną polaryzację, amplitudę i fazę światła w każdym punkcie przestrzeni, tak jakby wiązka właśnie przeszła przez soczewkę. W ten sposób fala jest budowana piksel po pikselu, prawie cyfrowo.

W odległości mniejszej niż długość fali nad szykiem nowa wiązka jest już w pełni uformowana. Ten przełom bez wątpienia przyniósł nam najbardziej kompaktową optykę, jaką kiedykolwiek widział świat. W nadchodzącym artykule w IEEE naukowcy podsumowują swoje odkrycia. Dokonują przeglądu wiedzy naukowej dotyczącej ich nowego metamateriału opartego na antenach i informują nas o postępach, jakie poczynili w zastępowaniu konwencjonalnej optyki tymi płaskimi alternatywami.

Co to jest: Klasa optyki w większości wolna od zniekształceń typowych dla ich konwencjonalnych odpowiedników, które są łatwe do wykonania znanymi metodami drukowania i zasadniczo dwuwymiarowe.

Co to nie jest: Anteny te nie są ogólnie przydatne do radzenia sobie z widzialnymi długościami fal światła. Te komponenty nie zachowują polaryzacji, ponieważ różne aspekty fali (polaryzacja, faza, amplituda) są manipulowane razem, co ogranicza zastosowania. Kolejnym problemem jest nieefektywność, wynikająca z ich uzależnienia od mechanizmu rozpraszania.

Ale nawet przy takim ograniczeniu, jak sugerują powyższe przykłady, jest wystarczająco dużo powodów do ekscytacji.

ukryć