麻省理工学院研发的“光学瑞士军刀 ”可调谐“元表面”
日期：
2021-09-14
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麻省理工学院的工程师和同事们汇报了一种可调谐的元表面的重要新进展，即用纳米级结构图案的平面光学设备，他们将其比作一把瑞士军刀，而其被动的前辈可以被认为只是一种工具，相比前者的用途单调到就像一把平刃螺丝刀。这项工作的关键是该团队发现的一种透明材料，它能快速和可逆地改变其原子结构。'快速重组元表面的能力所开辟的应用是巨大的，'Yifei Zhang说，他是最近一期《自然-纳米技术》杂志上一篇报告最新进展的论文的第一作者。张是材料科学与工程系（DMSE）的一名研究生。'我们很兴奋，因为目前的工作克服了几个障碍，将这些元表面落实到现实世界的应用中。'在《自然-纳米技术》论文中，麻省理工学院的研究人员描述了使用电流来可逆地改变材料结构，从而改变新的超表面的光学特性。在过去，他们使用笨重的激光器或一个炉子来提供必要的热量。现在可以将整个有源光学装置与电开关一起集成到硅芯片上，形成一个小型化的光学平台。该团队还报告说使用该平台展示了一系列可调谐的光学功能，其中包括一个光束转向装置通过将材料切换到不同的[内部]结构，可以向一个方向和另一个方向发送光，来回切换。相变材料（PCMs）在热的作用下改变其结构。它们在商业上被用于可重写CD和DVD。一束激光改变了材料的局部结构，从无定形到结晶，这种变化可以用来编码1和0--数字信息。然而，传统的PCM在光学应用方面有局限性。首先，它们是不透明的。它们不会让光线通过。这促使研究人员发明了一种用于光学设备的新相变材料，它是透明的。今年早些时候团队报告说，在传统的PCM中加入另一种元素，硒的过程起到了作用。这种由锗、硒、锑和碲（GSST）组成的新材料是新超表面的关键。反过来，元表面不仅仅是一层GSST薄膜，它是一层只有约半毫米见方的GSST薄膜，上面有大约10万个纳米级结构。而这些，反过来能够控制光的传播。这种可调谐的元表面，即即使名义上是'平的'或非常薄的表面也能调节光的反射，是非常有趣的。它们可以极大地减少透镜的体积，而透镜当然是用在所有操纵光线的地方。[麻省理工学院]使用低损耗的相变材料（即，它们吸收很少的光），为实现这一目标提供了真正的途径。根据同一期《自然-纳米技术》的一篇关于麻省理工学院和斯坦福大学进展的'新闻与观点'文章，'这些工作在基于PCM的可调节元表面方面取得了突破'。然而，《新闻与观点》的作者强调，两种方法都有缺点。例如，他们的小型化光学平台中使用的加热器目前是由金属制成的。但'金属对光学来说是有问题的，因为它们会吸收光线，因此团队正在研究一种由硅制成的新加热器，它是透明的。'
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