전통적인 광학 너머: Caltech 과학자들은 새로운 무선 통신 채널을 개발하는 데 사용할 수 있는 '시공간 메타표면'을 구축합니다.

7월 29일 뉴스에 따르면 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 팀은 입사광을 여러 광선으로 반사할 수 있는 미세 조정 가능한 안테나로 덮인 나노 규모 장치를 제작했으며, 각 광선은 서로 다른 빛을 냅니다. 주파수가 다르고 다른 방향으로 전파될 수 있습니다. 보고서에 따르면 이러한 종류의 "광 주파수에서 전기적으로 조정 가능한 시공간 메타표면"은 빛의 주파수를 동시에 제어하고 변경할 수 있으며 미래의 무선 통신 채널을 위한 길을 제시할 수 있습니다. 관련 결과는 "Nature: Nanotechnology"(첨부DOI: 10.1038/s41565-024-01728-9)에 게재됐다.

그림에 표시된 것처럼 입사된 레이저 빔(녹색)은 이 새로운 "시공간 메타표면"에 도달하고 조정 가능한 나노구조 안테나에 의해 변조되며, 이는 다양한 주파수의 제어 가능한 빔(파란색)을 생성할 수 있습니다. )는 지구나 우주에서 데이터를 전송하기 위한 광채널로 사용될 수 있습니다.
"이러한 메타표면을 통해 우리는 하나의 광선이 들어오고 여러 광선이 나가는 것을 보여줄 수 있었으며 각각은 서로 다른 광학 주파수를 갖고 서로 다른 방향으로 이동합니다."라고 공학부 Otis Bush는 말했습니다. 및 응용 과학 CSI 리더십 의장이자 응용 물리학 및 재료 과학 교수이자 해당 논문의 수석 저자인 Harry Atwater는 "이것은 완전한 통신 채널과 같습니다."라고 말했습니다. "우리는 섬유가 아닌 자유 공간에서 신호를 발견했습니다. ”
이 연구는 새로운 무선 통신 채널 개발을 위한 실현 가능한 경로를 제시할 뿐만 아니라 새로운 거리 측정 기술의 개발과 더 많은 데이터를 우주로 전송하는 방법으로도 이어질 수 있습니다. 우주에서 데이터를 전송하는 새로운 방법도 있습니다.
이 작업을 이해하려면 먼저 "메타표면"이라는 용어를 생각해 보세요. "메타"라는 단어는 "너머"를 의미하는 그리스어 접두사에서 파생되었습니다.
카메라나 현미경 렌즈와 같은 기존 광학 부품의 성능을 뛰어넘는 것을 목표로 하는 "메타표면"은 빛을 반사, 산란 또는 제어할 수 있는 엄선된 나노 안테나 패턴으로 설계된 다층 트랜지스터형 장치입니다. 이러한 평면 장치는 빛의 반응 방식에 영향을 미치는 일련의 나노 요소를 전략적으로 설계하여 빛의 초점을 맞추거나(렌즈와 유사) 빛을 반사(거울과 유사)할 수 있습니다.
보고에 따르면 '시공간 메타표면'이라는 것은 빛을 특정 방향과 특정 주파수(주파수는 초당 한 지점을 통과하는 파동의 수로 정의됨)로 반사할 수 있다고 합니다. 이 장치의 코어는 길이와 너비가 120미크론에 불과하며 통신에 일반적으로 사용되는 광 주파수(구체적으로 1530나노미터)에서 반사 모드로 작동합니다. 이는 무선 주파수보다 수천 배 더 높기 때문에 더 많은 가용 대역폭을 제공합니다. .
무선 주파수에서 전자 장치는 항공기에 사용되는 레이더 항법 장비와 같이 광선을 다른 방향으로 쉽게 조종할 수 있지만 현재는 더 높은 광 주파수에서 이를 수행할 수 있는 전자 장치가 없습니다. 그래서 연구자들은 안테나 자체의 특성을 변경하는 다른 접근 방식을 시도해야 했습니다.
Sisler와 Turegia는 아래에 전기적으로 조정 가능한 인듐 주석 산화물 반도체 층이 있는 금 안테나로 구성된 이 "메타표면"을 개발했습니다. 알려진 전압 분포는 각 아래에 있는 반도체 층의 전자 밀도를 국부적으로 변조합니다. 안테나, 굴절률(재료의 빛 굴절 능력) 변경.
"전체 장치에 걸쳐 서로 다른 전압의 공간 구성을 가짐으로써 부피가 큰 구성 요소를 교체할 필요 없이 실시간으로 특정 각도로 반사광의 방향을 바꿀 수 있습니다."라고 Turegia는 말했습니다.
"우리는 입사 광선을 레이저로 보냈습니다. 특정 주파수로 메타표면에 충돌한 다음 고주파 전압 신호로 시간에 맞춰 안테나 신호를 변조하여 정보를 전송하기 위한 고속 데이터 채널로 사용할 수 있는 입사 레이저에 의해 전달되는 여러 개의 새로운 주파수 또는 측파대를 생성합니다. "훌륭한 점은 우리가 공간 내에서 각 채널의 위치를 ​​선택할 수 있다는 것입니다."라고 Sisler는 설명했습니다. "우리는 주파수를 생성하고 공간을 통해 전달합니다. 이것이 바로 이 메타표면입니다." 메타표면이 달성 가능하고 널리 적용 가능한 기술이 되면 10년 안에 다른 그룹과 경쟁할 수 있게 될 것입니다."라고 Caltech의 Liquid Sunlight Alliance 이사인 Atwater는 말했습니다. 사람들은 스타벅스에 함께 앉아 인터넷 서핑을 하며, 모든 사람이 얻는 것은 무선 주파수 Wi-Fi 신호가 아니라 자신만의 충실도 높은 광 신호입니다." "메타표면은 모든 사람에게 서로 다른 주파수를 방출할 수 있습니다."

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