超越傳統(tǒng)光學(xué)元件：加州理工學(xué)院科學(xué)家構(gòu)建出“時(shí)空超表面”

　　加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出了一種納米級(jí)裝置，上面布滿微型可調(diào)天線，能夠?qū)⒁皇�入射光反射成多束光，且每束光都有不同的頻率并能夠朝著不同的方向傳播。

　　據(jù)介紹，這種“光頻率下的電可調(diào)時(shí)空超表面(Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies)”可同時(shí)控制和改變光的頻率，能夠?yàn)槲磥淼臒o線通信信道指明方向。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在《自然：納米技術(shù)》上(IT之家附 DOI：10.1038/s41565-024-01728-9)。

　　如圖所示，入射激光束(綠色)撞擊這種新型“時(shí)空超表面”并經(jīng)過可調(diào)納米結(jié)構(gòu)天線的調(diào)制，可產(chǎn)生不同頻率的可控光束(藍(lán)色)，可用作在地球或太空傳輸數(shù)據(jù)的光通道。

　　“通過這些超表面，我們已經(jīng)能夠證明，一束光進(jìn)來，多束光出去，每束光都有不同的光頻率并朝不同方向傳播，”工程與應(yīng)用科學(xué)系奧蒂斯・布思領(lǐng)導(dǎo)主席、霍華德・休斯應(yīng)用物理學(xué)和材料科學(xué)教授、論文高級(jí)作者哈里・阿特沃特說，“它就像是一個(gè)完整的通信通道陣列。我們找到了在自由空間信號(hào)而不是光纖上傳輸信號(hào)的方法。”

　　這項(xiàng)工作不僅為開發(fā)新型無線通信信道指出了一條充滿可行性的道路，而且還可能為開發(fā)新的測距技術(shù)，甚至是一種將更多數(shù)據(jù)傳輸?shù)教�空和從太空傳輸�?shù)據(jù)的新方法指明了方向。

　　要理解這項(xiàng)工作，首先要考慮“超表面(metasurface)”這個(gè)詞。“meta”這個(gè)詞源自希臘語前綴，意為“超越”。

　　“超表面”旨在超越傳統(tǒng)光學(xué)元件(如相機(jī)或顯微鏡鏡頭)的能力，這種多層晶體管式設(shè)備采用了精心挑選的納米天線圖案設(shè)計(jì)，可以反射、散射或以其他方式控制光線。這些平面設(shè)備可以通過戰(zhàn)略性地設(shè)計(jì)一系列能夠影響光響應(yīng)方式的納米元素來聚焦光線(類似于鏡頭)或反射光線(類似于鏡子)。

　　據(jù)介紹，這種被稱為“時(shí)空超表面”的東西可以以特定的方向和特定的頻率反射光(頻率定義為每秒通過一個(gè)點(diǎn)的波數(shù))。這種設(shè)備的核心僅有 120 微米長寬，在反射模式下工作于通常用于電信的光學(xué)頻率(具體為 1530 納米)，比無線電頻率高出數(shù)千倍，這意味著將帶來更多的可用帶寬。

　　在無線電頻率下，電子設(shè)備可以輕松地將光束轉(zhuǎn)向不同方向，例如飛機(jī)上使用的雷達(dá)導(dǎo)航設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但目前還沒有電子設(shè)備可以在更高的光學(xué)頻率下做到這一點(diǎn)。因此，研究人員不得不嘗試不同的方法，即改變天線本身的特性。

　　西斯勒和圖雷賈以某種方式開發(fā)出了這種由金天線組成的“超表面”，下面有一層可電調(diào)諧的氧化銦錫半導(dǎo)體層，可通過在整個(gè)設(shè)備上施加已知的電壓分布對(duì)每個(gè)天線下方半導(dǎo)體層中的電子密度實(shí)現(xiàn)局部調(diào)節(jié)，從而改變其折射率(材料的折光能力)。

　　圖雷賈表示，“通過在整個(gè)設(shè)備上具有不同電壓的空間配置，我們可以實(shí)時(shí)以指定角度重定向反射光，而無需更換任何笨重的組件。”

　　“我們讓一束入射激光以一定頻率撞擊我們的超表面，然后用高頻電壓信號(hào)及時(shí)調(diào)制天線信號(hào)，從而產(chǎn)生了多個(gè)由入射激光攜帶的新頻率或邊帶，可用于作為發(fā)送信息的高數(shù)據(jù)速率通道。最重要的是，我們?nèi)跃邆淇臻g控制能力，這意味著我們可以選擇每個(gè)通道在空間中的位置，”西斯勒解釋道，“我們正在生成頻率并引導(dǎo)它們在空間中傳播。這就是這個(gè)超表面的時(shí)空組成部分。”

　　加州理工學(xué)院液體陽光聯(lián)盟的主任阿特沃特表示，“如果光學(xué)超表面成為一種可實(shí)現(xiàn)并廣泛應(yīng)用的技術(shù)，那么十年后，你將能夠與一群其他人一起坐在星巴克里上網(wǎng)，而每個(gè)人獲得的不是射頻 Wi-Fi 信號(hào)，而是他們自己的高保真光信號(hào)”，“一個(gè)超表面將能夠向每個(gè)人發(fā)射不同的頻率。”