Au-delà de l'optique traditionnelle : les scientifiques de Caltech construisent une « métasurface spatio-temporelle » qui pourrait être utilisée pour développer de nouveaux canaux de communication sans fil

Selon les informations du 29 juillet, une équipe du California Institute of Technology a construit un dispositif à l'échelle nanométrique recouvert d'antennes micro-accordables capables de réfléchir un faisceau de lumière incidente en plusieurs faisceaux de lumière, chacun avec une fréquence différente capable de se propager. des directions différentes. Selon les rapports, ce type de « métasurfaces spatio-temporelles électriquement accordables à des fréquences optiques » peut contrôler et modifier la fréquence de la lumière en même temps, et peut ouvrir la voie à de futurs canaux de communication sans fil. Les résultats pertinents ont été publiés dans « Nature : Nanotechnology » (DOI ci-joint : 10.1038/s41565-024-01728-9).

Comme le montre la figure, le faisceau laser incident (vert) frappe cette nouvelle « métasurface espace-temps » et est modulé par l'antenne à nanostructure accordable, qui peut produire des faisceaux contrôlables (bleu) de différentes fréquences, qui peuvent être utilisés comme canal optique pour transmettre des données sur Terre ou dans l'espace.
"Grâce à ces métasurfaces, nous avons pu montrer qu'un faisceau de lumière entre et que plusieurs faisceaux de lumière en sortent, chacun avec une fréquence optique différente et se déplaçant dans une direction différente", a déclaré Otis Booth, département d'ingénierie et applications. Leader scientifique "C'est comme une gamme complète de canaux de communication", a déclaré Harry Atwater, président du professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux et auteur principal de l'article. "Nous avons trouvé un moyen de transmettre des signaux dans l'espace libre plutôt que par voie optique. fibres.»
Ce travail indique non seulement une voie réalisable pour développer de nouveaux canaux de communication sans fil, mais peut également conduire au développement de nouvelles technologies de télémétrie et même à un moyen de transmettre davantage de données vers et depuis l'espace. montrer le chemin.
Pour comprendre ce travail, considérons d'abord le terme « métasurface ». Le mot « méta » est dérivé du préfixe grec signifiant « au-delà ».
Visant à surpasser les capacités des composants optiques traditionnels, tels que les objectifs d'appareil photo ou de microscope, les « métasurfaces » sont des dispositifs multicouches de type transistor conçus avec des motifs de nanoantennes soigneusement choisis qui peuvent réfléchir, diffuser ou contrôler la lumière. Ces dispositifs planaires peuvent focaliser la lumière (semblable à une lentille) ou réfléchir la lumière (semblable à un miroir) en concevant stratégiquement une série de nanoéléments qui influencent la façon dont la lumière réagit.
Selon les rapports, cette chose appelée « métasurface spatio-temporelle » peut réfléchir la lumière dans une direction spécifique et à une fréquence spécifique (la fréquence est définie comme le nombre d'ondes traversant un point par seconde). Le cœur de cet appareil ne mesure que 120 microns de long et de large et fonctionne en mode réfléchissant à des fréquences optiques couramment utilisées pour les télécommunications (en particulier 1 530 nanomètres), qui sont des milliers de fois supérieures aux fréquences radio, ce qui signifie qu'il apportera plus de bande passante disponible. .
Aux fréquences radio, les appareils électroniques peuvent facilement diriger les faisceaux lumineux dans différentes directions, comme les équipements de navigation radar utilisés sur les avions, mais il n'existe actuellement aucun appareil électronique capable de le faire à des fréquences optiques plus élevées. Les chercheurs ont donc dû essayer une approche différente, en modifiant les propriétés de l'antenne elle-même.
Sisler et Turegia ont développé d'une manière ou d'une autre cette "métasurface" constituée d'une antenne en or avec une couche semi-conductrice d'oxyde d'étain et d'indium électriquement accordable en dessous, qui peut être réalisée en appliquant la distribution de tension connue. La distribution de tension module localement la densité électronique dans la couche semi-conductrice sous chaque antenne, changeant son indice de réfraction (la capacité du matériau à réfracter la lumière).
"En ayant des configurations spatiales de différentes tensions sur l'ensemble de l'appareil, nous pouvons rediriger la lumière réfléchie selon des angles spécifiés en temps réel sans avoir à remplacer de composants volumineux", a déclaré Turegia.
"Nous dirigeons un faisceau laser incident à une certaine fréquence de frappe. notre métasurface module ensuite le signal d'antenne avec un signal de tension haute fréquence dans le temps, créant ainsi plusieurs nouvelles fréquences, ou bandes latérales, portées par la lumière laser entrante qui peuvent être utilisées comme canaux à haut débit pour envoyer des informations. Il existe toujours un contrôle spatial. ", ce qui signifie que nous pouvons choisir où se trouve chaque canal dans l'espace", a expliqué Sisler. "Nous générons des fréquences et les dirigeons à travers l'espace. C'est la composante spatio-temporelle de cette métasurface" Si les métasurfaces optiques deviennent une technologie réalisable et largement utilisée. ", puis dans dix ans, vous pourrez vous asseoir dans un Starbucks avec un groupe d'autres personnes", a déclaré Atwater, directeur de la Liquid Sunlight Alliance à Caltech. L'accès à Internet, et ce que tout le monde obtient, ce n'est pas un signal Wi-Fi à radiofréquence. , mais leur propre signal optique haute fidélité." "Une métasurface pourra émettre des fréquences différentes à tout le monde."

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