介质超材料通过光动态调谐

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杜克大学的研究人员建造了第一个无金属、可动态调节的超材料来控制电磁波。该方法可以形成从改进的安全扫描器到新类型的视觉显示器的技术基础。

超材料是一种人造材料,通过其结构的性质而不是光的化学来操纵光和声波之类的波。研究人员可以设计这些材料具有稀有或不自然的性质,比如吸收特定范围的电磁光谱或向后弯曲光线的能力。

杜克大学电气与计算机工程教授Willie Padilla说:“这些材料是由单独的单元组成的网格,可以单独调节。”“当一个波通过表面时,超材料可以控制网格中每个位置的振幅和相位,这使得我们可以用许多不同的方式来操纵波。”

在新技术中,每个网格位置包含一个只有50微米高和120微米宽的微型硅圆柱体,这些圆柱体彼此间隔170微米。虽然硅通常不是导电材料,但研究人员在一个称为光掺杂的过程中用特定频率的光轰击圆柱体。通过在圆柱体表面激发电子,这种典型的绝缘材料具有金属性质。

这些新释放的电子使圆柱体与通过它们的电磁波相互作用。圆柱体的大小决定了它们可以相互作用的光的频率,而光掺杂的角度影响它们如何操纵电磁波。通过有目的地设计这些细节,超材料可以以许多不同的方式控制电磁波。

在这项研究中,圆柱体被设计成与太赫兹波相互作用,这是微波和红外光之间的电磁波谱带。控制这种波长的光可以改善卫星之间的宽带通信,或者导致安全技术,可以很容易地扫描衣物。该方法还可以简单地通过调整圆柱体的尺寸来适应电磁光谱的其他波段,如红外或可见光。

WPA6022602IMG“我们展示了一个新的领域,我们可以通过调整光掺杂的方式来动态地控制金属表面的每个点,”帕迪拉说。“我们可以创造任何类型的模式,我们想要,让我们创建透镜或光束转向装置,例如。因为它们是由光束控制的,它们能以非常小的功率快速变化。

虽然现有的超材料通过电磁特性控制电磁波,但新技术也可以通过电磁特性来控制电磁波。

“这允许每个气缸不仅影响入射波,而且影响相邻气缸之间的相互作用,”帕迪拉实验室的研究科学家柯斌帆和该论文的第一作者说。“这赋予了超材料更多的多功能性,例如控制波穿过超材料表面而不是穿过它的能力。”

帕迪拉说:“我们更感兴趣的是这项技术背后的物理基础演示,但它确实有一些显著的特点,使它对设备具有吸引力。”

他说:“因为它不是由金属制成的,所以不会融化,这对某些应用来说可能是个问题。”它具有亚波长控制功能,给您更多的自由和多功能性。也有可能重新配置超材料如何影响入射波非常快,这有我们的小组计划,探索使用它的动态全息术。

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