Nano optische antennes kunnen een grote impact hebben

De antenne, een eeuwenoude technologie, is overal. Naar de radio luisteren? Bellen met je mobiele telefoon? Surfen op internet via wifi? De antenne maakte het allemaal mogelijk.

Kleine antennes: Deze afbeelding toont een platte lens van metamateriaal. De conceptuele afbeelding rechts laat zien hoe zo'n lens, gemaakt van antennes op nanoschaal, licht bundelt; de composietafbeelding links toont een foto van zo'n lens en de fasevertraging die op verschillende ruimtelijke locaties op de golf wordt toegepast (de veelkleurige helft).

Nu verandert de antenne ook de optica.

Bij Federico Capasso ’s lab aan de Harvard University, hebben onderzoekers een nieuwe manier bedacht om licht te manipuleren met behulp van optische antennes op nanoschaal. Ze nemen in feite een radioantenne, buigen deze in een V en verkleinen deze met een factor van ongeveer een miljoen, om een ​​zogenaamde optische resonator te creëren. Door een oppervlak te vormen met een aantal van deze resonatoren, gebogen onder verschillende hoeken - om een ​​zogenaamd meta-oppervlak te creëren - ontdekten ze dat ze licht konden krijgen om zo ongeveer alles te doen wat ze wilden.

Dit is wat ze tot nu toe hebben weten te maken:

Spiegels die (lijken) de wetten van reflectie te schenden
We leerden het op de lagere school: de invalshoek is gelijk aan de reflectiehoek. Stuur licht rechtstreeks naar een spiegel en het komt meteen terug. Niet meer. De op antennes gebaseerde metasurface-spiegels van de onderzoekers reflecteren het licht in willekeurige richtingen naar keuze. Deze apparaten geven ons niet alleen een meer algemeen begrip van de fysica van reflectie en breking, maar stellen ons ook in staat om licht op steeds meer veelzijdige manieren te controleren en om te leiden.

Een platte lens zo dun als een haar
Een lens, zo wordt ons verteld, is een rond stuk glas met een uitstulping in het midden, dat wordt gebruikt om het licht naar een punt te brengen. Om een ​​camera scherp te stellen, moeten we de lens naar voren en naar achteren bewegen totdat een beeld scherper in beeld komt. Maar wat als het focuselement slechts 60 nanometer dik kan worden gemaakt, de hele lens zo breed als een paar mensenhaar? Wat als we de focus kunnen verschuiven door de vorm van enkele kleine antennes in zo'n lens te veranderen? Hierdoor kunnen beeldvormende componenten als nooit tevoren worden geminiaturiseerd.

Metamateriaal golfplaten
Conventioneel vereist de polarisatie van roterend licht, of het schakelen tussen lineaire en circulaire polarisatie, speciale kristallen met brekingsindices die afhangen van de manier waarop het binnenkomende licht wordt gepolariseerd. De onderzoekers ontdekten dat ze deze effecten in plaats daarvan konden nabootsen met hun antenne-arrays. Omdat men door de polarisatie van het licht te veranderen gegevens zou kunnen coderen, heeft deze klasse van elementen potentiële toepassingen in kwantumoptisch computergebruik en communicatie.

Metamaterial Lab Optics
Twee veelgebruikte laboratoriumtools zijn ook opnieuw gemaakt in metamateriaalvorm. De eerste is een spiraalvormige faseplaat, die een normale laservlek omzet in een donutbundel van licht met impulsmoment. De resulterende vortexstraal, zoals het wordt genoemd, kan verlichte deeltjes in een baan rond het donkere centrum sturen. De tweede is een axicon, een optisch element dat een bijna diffractieloze Bessel straal , die kan worden gebruikt om deeltjes ter grootte van een micron nauwkeurig te positioneren en ze langs een goed gedefinieerd pad te verplaatsen.

Dit is hoe het werkt:

Het blijkt dat deze optische resonatoren niet veel verschillen van gewone antennes.

Het oscillerende elektrische veld van licht drijft elektronen op en neer over de lengte van elke geleider in de antenne. In een ontvanger, zoals een tv-antenne, wordt deze fluctuerende stroom opgevangen en verwerkt. Maar er is een secundair effect aan het werk: versnelde ladingen stralen ook uit. En het opnieuw uitgestraalde veld zal over het algemeen verschillen in polarisatie, amplitude en fase. Hoeveel verschil hangt af van de vorm, grootte en oriëntatie van elke resonator, en het is dit verstrooide veld dat de wetenschappers manipuleren. Polarisatie beschrijft de richting van het elektrische veld; amplitude geeft de grootte van de oscillaties; en de fase markeert waar de golf zich in zijn cyclus bevindt. Samen met frequentie zijn ze voldoende om een ​​lichtstraal volledig te beschrijven.

Conventionele optische elementen veranderen de fase en polarisatie van licht door het door materiaal met verschillende diktes te laten gaan. De diktes moeten nauwkeurig worden gemeten, de krommingen nauwkeurig worden gesneden, om fouten en defecten te voorkomen. De antenne-array kan hetzelfde bereiken door de gewenste polarisatie, amplitude en fase van het licht op elk punt in de ruimte direct in te stellen, alsof de straal net door een lens is gegaan. Zo wordt de golf pixel voor pixel bijna digitaal opgebouwd.

Op een afstand van minder dan een golflengte boven de array is de nieuwe bundel al volledig gevormd. Deze doorbraak heeft ons ongetwijfeld de meest compacte optica opgeleverd die de wereld ooit heeft gezien. In een aankomend artikel in IEEE vatten de onderzoekers hun bevindingen samen. Ze beoordelen de wetenschap achter hun nieuwe, op antennes gebaseerde metamateriaal en informeren ons over de vooruitgang die ze hebben geboekt bij het vervangen van conventionele optica door deze platte alternatieven.

Wat het is: Een klasse van optica die grotendeels vrij is van de vervormingen die gebruikelijk zijn bij hun conventionele tegenhangers, die gemakkelijk te maken zijn met gevestigde printmethoden, en in wezen tweedimensionaal.

Wat het niet is: Deze antennes zijn niet algemeen bruikbaar voor het omgaan met zichtbare golflengten van licht. Deze componenten zijn ook niet polarisatie-behoudend, aangezien verschillende aspecten van de golf (polarisatie, fase, amplitude) samen worden gemanipuleerd, wat de toepassingen beperkt. Een ander probleem is inefficiëntie, vanwege hun afhankelijkheid van het mechanisme van verstrooiing.

Maar zelfs met zo'n beperking, zoals de voorbeelden hierboven suggereren, is er genoeg reden om opgewonden te zijn.

zich verstoppen