Una nueva estrategia de diseño de metasuperficie activa ofrece una metasuperficie de 360 ​​grados totalmente ajustable en fase

Una nueva estrategia de diseño de metasuperficie activa ofrece una metasuperficie de 360 ​​grados totalmente ajustable en fase


02 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Un equipo internacional de investigadores dirigido por el profesor Min Seok Jang de KAIST y el profesor Victor W. Brar de la Universidad de Wisconsin-Madison ha demostrado una metodología ampliamente aplicable que permite la modulación de fase activa de 360° para metasuperficies mientras mantiene una medida significativa de uniformidad la luz mantiene la amplitud (comunicación de la naturaleza, «Modulación de fase sintonizable 2π completa utilizando cruces de resonancia evitados»). En principio, esta estrategia se puede aplicar a cualquier rango espectral con cualquier estructura y resonancia.

Las metasuperficies son componentes ópticos con funcionalidades especializadas que son esenciales para aplicaciones del mundo real, desde lidar y espectroscopia hasta tecnologías futuristas como hologramas y capas invisibles. Son conocidos por su compacidad y tamaño micro/nano, lo que les permite integrarse en sistemas electrónicos computarizados de tamaños cada vez más pequeños, como predice la Ley de Moore.

Para permitir tales innovaciones, las metasuperficies deben poder manipular la luz que las golpea, manipulando la amplitud o la fase (o ambas) de la luz y reemitiéndola. Sin embargo, la fase de modulación dinámica con el rango de círculo completo fue una tarea notoriamente difícil, con muy pocos trabajos que lograron esto, sacrificando una parte significativa del control de amplitud.

Dadas estas limitaciones, el equipo propuso una metodología general que permite que las metasuperficies implementen la modulación de fase dinámica con el rango de fase completo de 360° mientras mantienen niveles de amplitud significativos. una metasuperficie demuestra una modulación de fase sintonizable 2π completa utilizando el cruce evitado de dos resonancias Figura 1. La metasuperficie diseñada por el equipo que demuestra la modulación de fase 2π sintonizable completa utilizando el cruce evitado de dos resonancias. (Imagen: KAIST)

La verdadera razón de la dificultad para lograr tal rendimiento es que existe una compensación fundamental en el control dinámico de la fase óptica de la luz. Las metasuperficies generalmente realizan esta función a través de resonancias ópticas, una excitación de electrones dentro de la estructura de la metasuperficie que vibra armónicamente junto con la luz incidente.

Para modular en el rango completo de 0-360°, la frecuencia de resonancia óptica (el centro del espectro) debe sintonizarse en gran medida mientras se mantiene el ancho de línea (el ancho del espectro) al mínimo.

Sin embargo, para sintonizar eléctricamente la frecuencia de resonancia óptica de la metasuperficie según sea necesario, debe haber un flujo de entrada y salida controlable de electrones en la metasuperficie, y esto conduce inevitablemente a un mayor ancho de línea de la resonancia óptica mencionada anteriormente.

El problema se agrava aún más por el hecho de que la fase y la amplitud de las resonancias ópticas están estrechamente correlacionadas de una manera compleja y no lineal, lo que hace muy difícil mantener un control sustancial sobre la amplitud mientras se cambia de fase.

El trabajo del equipo sorteó ambos problemas mediante el uso de dos resonancias ópticas, cada una con propiedades definidas específicamente. La resonancia proporciona desacoplamiento entre la fase y la amplitud, lo que permite ajustar la fase mientras se mantienen niveles de amplitud significativos y constantes, además de proporcionar un ancho de línea estrecho.

La otra resonancia ofrece la posibilidad de ser sintonizada en una medida lo suficientemente grande como para que se pueda lograr todo el rango de círculo completo de la modulación de fase. La esencia del trabajo es entonces combinar las diferentes propiedades de las dos resonancias a través de un fenómeno llamado cruce evitado, de modo que las interacciones entre las dos resonancias conduzcan a una fusión de las propiedades deseadas que logre la modulación de fase completa de 360° e incluso supere con amplitud uniforme. Trayectorias de coeficiente de reflexión complejas Figura 2. a: trayectorias de coeficiente de reflexión complejas con diferentes valores de movilidad para el caso de lámina de grafeno. La modulación de fase 2π completa no ocurre sin cruzarse con plasmones de grafeno, a pesar de aumentar las movilidades y, por lo tanto, disminuir el ancho de línea. b: trayectorias de coeficiente de reflexión complejas con diferentes valores de movilidad para el caso de la cinta de grafeno. (Imagen: KAIST)

El profesor Jang dijo: «Nuestra investigación propone una nueva metodología de modulación de fase dinámica que rompe los límites convencionales y las compensaciones al mismo tiempo que es aplicable a diferentes tipos de metasuperficies. Esperamos que esta idea ayude a los investigadores a implementar y realizar muchas aplicaciones importantes de metasuperficies como LIDAR y hologramas para que la industria de la nanofotónica pueda seguir creciendo y brindar un futuro tecnológico más brillante”.



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