سوف تقوم Metasurface بإنشاء تقنية Li-Fi و Lidar جديدة

يمكن لسطح ذكي جديد وقابل للضبط أن يحول نبضة واحدة من الضوء إلى أشعة متعددة، كل منها موجه في اتجاهات مختلفة. ويفتح تطوير إثبات المبدأ الباب أمام مجموعة من الابتكارات في مجالات الاتصالات والتصوير والاستشعار والطب.

يأتي هذا البحث من مختبر معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا التابع لهاري أتواتر، أستاذ الفيزياء التطبيقية وعلوم المواد، وهو ممكن بسبب نوع من المواد المهندسة النانوية تسمى السطح الخارق. يقول براتشي ثوريجا، وهو طالب دراسات عليا في مجموعة أتواتر: “هذه أسطح مصممة بشكل اصطناعي وتتكون أساسًا من أنماط ذات بنية نانوية”. “إنها مجموعة من الهياكل النانوية، وكل بنية نانوية تسمح لنا بالتحكم محليًا في خصائص الضوء.”

يمكن إعادة تشكيل السطح حتى ملايين المرات في الثانية لتغيير كيفية تحكمه محليًا في الضوء. وهذا سريع بما يكفي لمعالجة الضوء وإعادة توجيهه لتطبيقات نقل البيانات البصرية مثل الاتصالات الفضائية الضوئية وLi-Fi، بالإضافة إلى تقنية Lidar.

“[The metasurface] يقول Alex MH Wong، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية بجامعة سيتي في هونغ كونغ: “يجلب حرية غير مسبوقة في التحكم في الضوء”. “إن القدرة على القيام بذلك تعني أنه يمكن للمرء ترحيل التقنيات اللاسلكية الموجودة إلى النظام البصري. تعتبر تقنية Li-Fi وLIDAR بمثابة أمثلة رئيسية.

تزيل الأسطح المعدنية الحاجة إلى العدسات والمرايا

تتضمن معالجة وإعادة توجيه أشعة الضوء عادةً مجموعة من العدسات والمرايا التقليدية. قد تكون هذه العدسات والمرايا مجهرية الحجم، لكنها لا تزال تستخدم الخصائص البصرية لمواد مثل قانون سنيل، الذي يصف تقدم واجهة الموجة عبر مواد مختلفة وكيفية إعادة توجيه واجهة الموجة هذه – أو انكسارها – وفقًا لخصائص المادة نفسها.

على النقيض من ذلك، يقدم العمل الجديد إمكانية معالجة الخصائص البصرية للمادة كهربائيًا عبر مادة شبه موصلة. ومن خلال دمجها مع عناصر المرآة ذات الحجم النانوي، يمكن جعل الأجهزة المسطحة المجهرية تتصرف مثل العدسة، دون الحاجة إلى أطوال من الزجاج المنحني أو المثني. ويمكن تبديل الخصائص البصرية للسطح الخارق الجديد ملايين المرات في الثانية باستخدام الإشارات الكهربائية.

يقول جاريد سيسلر، المؤلف المشارك في الورقة البحثية، وهو أيضًا طالب دراسات عليا في جامعة أتواتر: “الفرق بين أجهزتنا هو أنه من خلال تطبيق جهد كهربائي مختلف عبر الجهاز، يمكننا تغيير شكل الضوء المنبعث من المرآة، على الرغم من أنه لا يتحرك فيزيائيًا”. مجموعة. “وبعد ذلك يمكننا توجيه الضوء وكأنه مرآة قابلة لإعادة البرمجة كهربائيًا.”

الجهاز نفسه، وهو عبارة عن شريحة يبلغ قياسها 120 ميكرومترًا على كل جانب، يحقق قدراته في التعامل مع الضوء من خلال سطح مدمج من هوائيات ذهبية صغيرة في طبقة شبه موصلة من أكسيد القصدير الإنديوم. يؤدي التحكم في الفولتية عبر شبه الموصل إلى تغيير قدرة المادة على ثني الضوء، وهو ما يُعرف أيضًا باسم مؤشر انكسارها. بين انعكاس عناصر المرآة الذهبية والقدرة الانكسارية القابلة للضبط لأشباه الموصلات، يصبح من الممكن إجراء الكثير من عمليات التلاعب بالضوء القابلة للضبط بسرعة.

يقول سيسلر: “أعتقد أن الفكرة الكاملة المتمثلة في استخدام سطح فائق الحالة الصلبة أو جهاز بصري لتوجيه الضوء في الفضاء واستخدام ذلك أيضًا لتشفير المعلومات – أعني أنه لا يوجد شيء مثل هذا موجود حاليًا”. “لذلك أعني، من الناحية الفنية، يمكنك إرسال المزيد من المعلومات إذا كان بإمكانك تحقيق معدلات تعديل أعلى. ولكن نظرًا لأنه مجال جديد نوعًا ما، فإن أداء أجهزتنا هو أكثر من مجرد إظهار المبدأ.

تفتح الأسطح الفوقية الكثير من الاحتمالات الجديدة

يقول وونج إن هذا المبدأ يقترح مجموعة واسعة من التقنيات المستقبلية على خلفية ما يقول إنه من المحتمل أن تكون تطورات واكتشافات للأسطح الخارقة على المدى القريب.

“السطح الفائق [can] يقول وونغ: “تكون مسطحة، ورفيعة للغاية، وخفيفة الوزن بينما تحقق الوظائف التي يتم تحقيقها عادة من خلال سلسلة من العدسات المنحنية بعناية”. “لا يزال العلماء حاليًا يفتحون الأبواب أمام الإمكانيات الهائلة التي يوفرها لنا السطح الخارق.

“مع التحسينات في التصنيع النانوي، أصبحت العناصر ذات الأحجام الصغيرة الأصغر بكثير من الطول الموجي قابلة للتصنيع بشكل موثوق،” يتابع وونغ. “يتم عرض العديد من وظائف السطح الخارق بشكل روتيني، مما لا يفيد التواصل فحسب، بل أيضًا التصوير والاستشعار والطب، من بين مجالات أخرى… أعلم أنه بالإضافة إلى اهتمام الأوساط الأكاديمية، فإن العديد من اللاعبين من الصناعة مهتمون بشدة أيضًا ويصنعون استثمارات كبيرة في دفع هذه التكنولوجيا نحو التسويق.”