超越傳統光學元件：加州理工學院科學家建構'時空超表面”，可用於開發新型無線通訊通道

7 月29 日消息，加州理工學院團隊建構出了一種奈米級裝置，上面佈滿微型可調天線，能夠將一束入射光反射成多束光，且每束光都有不同的頻率並能夠朝著不同的方向傳播。據介紹，這種「光頻率下的電可調時空超表面（Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies）」可同時控制和改變光的頻率，能夠為未來的無線通訊頻道指明方向。相關成果已發表在《自然：奈米技術》（附 DOI：10.1038/s41565-024-01728-9）。

如圖所示，入射雷射光束（綠色）撞擊這種新型「時空超表面」並經過可調奈米結構天線的調製，可產生不同頻率的可控光束（藍色），可用作在地球或太空傳輸資料的光通道。
「透過這些超表面，我們已經能夠證明，一束光進來，多束光出去，每束光都有不同的光頻率並朝不同方向傳播，」工程與應用科學系奧蒂斯・布思領導主席、霍華德・休斯應用物理學和材料科學教授、論文高級作者哈里・阿特沃特說，「它就像是一個完整的通訊通道陣列。我們找到了在自由空間訊號而不是光纖上傳輸訊號的方法。數據的新方法指明了方向。
要理解這項工作，首先要考慮「超表面（metasurface）」這個字。 「meta」這個字源自希臘文前綴，意思是「超越」。
「超表面」旨在超越傳統光學元件（如相機或顯微鏡鏡頭）的能力，這種多層晶體管式設備採用了精心挑選的奈米天線圖案設計，可以反射、散射或以其他方式控制光線。這些平面設備可以透過策略性地設計一系列能夠影響光響應方式的奈米元素來聚焦光線（類似於鏡頭）或反射光線（類似於鏡子）。
據介紹，這種被稱為「時空超表面」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點的波數）。這種設備的核心僅有120 微米長寬，在反射模式下工作於通常用於電信的光學頻率（具體為1530 奈米），比無線電頻率高出數千倍，這意味著將帶來更多的可用頻寬。
在無線電頻率下，電子設備可以輕鬆地將光束轉向不同方向，例如飛機上使用的雷達導航設備就可以實現這一點，但目前還沒有電子設備可以在更高的光學頻率下做到這一點。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出了這種由金天線組成的“超表面”，下面有一層可電調諧的氧化銦錫半導體層，可通過在整個設備上施加已知的電壓分佈對每個天線下方半導體層中的電子密度實現局部調節，從而改變其折射率（材料的折射能力）。
圖雷賈表示，「透過在整個設備上具有不同電壓的空間配置，我們可以即時以指定角度重定向反射光，而無需更換任何笨重的組件。」
「我們讓一束入射雷射以一定頻率撞擊我們的超表面，然後用高頻電壓訊號及時調製天線訊號，從而產生了多個由入射雷射攜帶的新頻率或邊帶，可用於作為發送訊息的高數據速率通道。仍具備空間控制能力，這意味著我們可以選擇每個通道在空間中的位置，」西斯勒解釋道，「我們正在產生頻率並引導它們在空間中傳播。 。上網，而每個人獲得的不是射頻Wi-Fi 訊號，而是他們自己的高保真光訊號”，“一個超表面將能夠向每個人發射不同的頻率。

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