یک فراسطح جدید توسعه یافته توسط Caltech می‌تواند یک پرتو نور را به کانال‌های متعدد تقسیم کند و ارتباطات بی‌سیم و قابلیت‌های انتقال داده در فرکانس‌های نوری را با کاربردهای بالقوه در ارتباطات فضایی و LiDAR بهبود بخشد. اعتبار: Caltech
مهندسان Caltech از یک فراسطح پیشگامانه پرده برداری کرده اند که نور را برای ارائه کانال های ارتباطی متعدد در فرکانس های نوری دستکاری می کند.
این فناوری نوید بهبود انتقال داده ها را در زمینه های مختلف، از جمله ارتباطات فضایی و LiDAR، پیشی گرفتن از روش های الکترونیکی سنتی و ارائه پیشرفت های قابل توجه در پهنای باند، می دهد.
ارتباطات بی سیم انقلابی با متاسرفیس ها
این صحنه ای است که بسیاری از ما با آن آشنا هستیم: شما در حال کار بر روی لپ تاپ خود در کافی شاپ محلی با شاید نیم دوجین کاربر لپ تاپ دیگر هستید—هر یک از شما سعی می کنید وب سایت ها را بارگیری کنید یا ویدیوهای با کیفیت بالا را پخش کنید، و همه در آرزوی چیزهای بیشتری هستند. پهنای باند حالا تصور کنید که هر یک از شما یک کانال ارتباطی بی سیم اختصاصی دارید که صدها برابر سریعتر از وای فای ما امروزی است و صدها برابر پهنای باند بیشتری دارد. این رویا ممکن است به لطف توسعه فراسطحها دور از دسترس نباشد – صفحات مهندسی کوچکی که می‌توانند نور را به روش‌های دلخواه منعکس و هدایت کنند.
پیشرفت در فناوری فراسطح نوری
در مقاله ای که در 24 جولای در فناوری نانو طبیعیتیمی از مهندسان Caltech ساخت چنین سطحی را گزارش می‌کنند که با آنتن‌های قابل تنظیم کوچکی که قادر به بازتاب یک پرتو نوری ورودی برای ایجاد نوارهای جانبی یا کانال‌های فرکانس‌های نوری مختلف است، الگوبرداری شده است.
هری آتواتر، رئیس Otis Booth در مهندسی و علوم کاربردی، می‌گوید: «با این فراسطحها، ما توانستیم نشان دهیم که یک پرتو نور وارد می‌شود و چندین پرتو نور خارج می‌شوند، هر کدام در فرکانس‌های نوری متفاوت و در جهات مختلف حرکت می‌کنند. هاوارد هیوز، استاد فیزیک کاربردی و علم مواد و نویسنده ارشد مقاله جدید. “این به عنوان یک مجموعه کامل از کانال های ارتباطی عمل می کند. و ما راهی برای انجام این کار برای سیگنال‌های فضای آزاد پیدا کردیم، نه برای سیگنال‌هایی که روی فیبر منتقل می‌شوند.
این کار به مسیر امیدوارکننده‌ای برای توسعه نه تنها نوع جدیدی از کانال ارتباطی بی‌سیم، بلکه همچنین فناوری‌های بالقوه جدید محدوده‌یابی و حتی راهی جدید برای انتقال مقادیر بیشتر داده به فضا و از فضا اشاره می‌کند.
یک پرتو لیزر فرودی (سبز) به فراسطح فضایی و زمانی جدید Caltech برخورد می‌کند و توسط آنتن‌های قابل تنظیم و نانوساختار مدوله می‌شود و پرتوهای نور قابل هدایتی را در فرکانس‌های مختلف (آبی) ایجاد می‌کند که می‌تواند به عنوان کانال‌های نوری برای انتقال داده‌ها به زمین یا در کیهان استفاده شود. اعتبار: Caltech
مکانیک فراسطحها: فراتر از اپتیک سنتی
یکی از نویسندگان مقاله جدید Prachi Tureja، یک دانشجوی فارغ التحصیل در گروه Atwater، می گوید که برای درک کار آنها، ابتدا به کلمه “metasurface” فکر کنید. ریشه “متا” از پیشوند یونانی به معنای “فراتر از” می آید. متاسرفیس ها برای کار طراحی شده اند فراتر کاری که ما می توانیم با عناصر نوری حجیم معمولی مانند لنزهای دوربین یا میکروسکوپ انجام دهیم. دستگاه های ترانزیستور چند لایه با الگوی دقیق انتخاب شده طراحی شده اند مقیاس نانو آنتن هایی که می توانند نور را منعکس، پراکنده یا کنترل کنند. این دستگاه‌های مسطح می‌توانند نور را متمرکز کنند، به سبک لنز، یا مانند یک آینه، آن را از طریق طراحی استراتژیک مجموعه‌ای از عناصر در مقیاس نانو که نحوه واکنش نور را تغییر می‌دهند، منعکس کنند.
بسیاری از کارهای قبلی با متاسرفیس ها بر ایجاد دستگاه های غیرفعال متمرکز شده است که دارای یک عملکرد هدایت کننده نور هستند که در زمان ثابت شده است. در مقابل، گروه Atwater بر آنچه به عنوان فراسطح فعال شناخته می شود، متمرکز شد. جارد سیسلر، همچنین دانشجوی فارغ التحصیل در آزمایشگاه Atwater و یکی از نویسندگان مقاله، گفت: «ما اکنون می‌توانیم یک محرک خارجی، مانند مجموعه‌ای از ولتاژهای مختلف، به این دستگاه‌ها اعمال کنیم و بین عملکردهای غیرفعال مختلف تنظیم کنیم.
در جدیدترین کار، این تیم چیزی را توصیف می‌کند که آنها آن را یک فراسطح فضایی-زمانی می‌نامند که می‌تواند نور را در جهات خاص و همچنین در فرکانس‌های خاص منعکس کند (تعدادی از زمان، زیرا فرکانس به عنوان تعداد امواجی که از یک نقطه در ثانیه می‌گذرد تعریف می‌شود). این دستگاه فراسطحی که هسته آن تنها 120 میکرون عرض و 120 میکرون طول دارد، در حالت انعکاس در فرکانس‌های نوری که معمولاً برای ارتباطات از راه دور استفاده می‌شود، به ویژه در 1530 نانومتر کار می‌کند. این هزاران بار بیشتر از فرکانس های رادیویی است، به این معنی که پهنای باند بسیار بیشتری در دسترس است.
در فرکانس های رادیویی، الکترونیک می تواند به راحتی یک پرتو نور را در جهات مختلف هدایت کند. این امر به طور معمول توسط دستگاه های ناوبری راداری که در هواپیما استفاده می شود به دست می آید. اما در حال حاضر هیچ دستگاه الکترونیکی وجود ندارد که بتواند این کار را در فرکانس های نوری بسیار بالاتر انجام دهد. بنابراین، محققان مجبور شدند چیز متفاوتی را امتحان کنند، یعنی تغییر ویژگی های خود آنتن ها.
Sisler و Thureja متاسطح خود را متشکل از آنتن های طلایی با یک لایه نیمه هادی قابل تنظیم الکتریکی از اکسید قلع ایندیم ایجاد کردند. با اعمال یک پروفیل ولتاژ شناخته شده به دستگاه، آنها می توانند به طور موضعی چگالی الکترون در لایه نیمه هادی زیر هر آنتن را تعدیل کنند و ضریب شکست آن (توانایی مواد در خم کردن نور) را تغییر دهند. Tureya می‌گوید: «با داشتن پیکربندی فضایی ولتاژهای مختلف در دستگاه، می‌توانیم نور منعکس شده را در زوایای خاص در زمان واقعی بدون نیاز به تغییر اجزای حجیم هدایت کنیم.
ما یک لیزر تصادفی داریم که با فرکانس خاصی به سطح ما برخورد می کند و آنتن ها را به موقع با یک سیگنال ولتاژ فرکانس بالا مدوله می کنیم. این چندین فرکانس یا باندهای جانبی جدید تولید می کند که توسط نور لیزر فرودی حمل می شوند و می توانند به عنوان کانال های با سرعت داده بالا برای ارسال اطلاعات استفاده شوند. علاوه بر این، ما هنوز هم کنترل فضایی داریم، به این معنی که می‌توانیم انتخاب کنیم هر کانال در فضا کجا می‌رود.» سیسلر توضیح می‌دهد. ما فرکانس ها را تولید می کنیم و آنها را در فضا مدیریت می کند. این جزء مکانی-زمانی این فراسطح است.»
برنامه های کاربردی آینده و اتصال جهانی
علاوه بر نشان دادن اینکه چنین فراسطحی قادر به تقسیم و هدایت نور در فرکانس‌های نوری در فضای آزاد (به جای فیبرهای نوری) است، این تیم می‌گوید که کار به چندین کاربرد ممکن اشاره می‌کند. این فراسطح ها می توانند در کاربردهای LiDAR، معادل نور رادار، که در آن از نور برای گرفتن اطلاعات عمق از یک صحنه سه بعدی استفاده می شود، مفید باشند. رویای نهایی توسعه یک “متاسطح جهانی” است که کانال های نوری متعددی را ایجاد کند که هر کدام اطلاعات را در جهات مختلف در فضای آزاد حمل می کند.
“اگر متاسرفیس های نوری به یک فناوری قابل دوام تبدیل شوند که گسترش یابد، در یک دهه شما می توانید در استارباکس با تعداد زیادی از افراد دیگر روی لپ تاپ خود بنشینید و به جای اینکه هر فرد یک سیگنال وای فای فرکانس رادیویی دریافت کند، آن ها آتواتر، که همچنین مدیر Liquid Sunlight Alliance در Caltech است، می‌گوید سیگنال خود را با پرتوهای نور با کیفیت بالا دریافت خواهند کرد. یک متاسرفیس قادر خواهد بود فرکانس متفاوتی را برای هر فرد منتشر کند.
این گروه با آزمایشگاه ارتباطات نوری در JPL، که در حال کار بر روی استفاده از فرکانس های نوری به جای امواج فرکانس رادیویی برای برقراری ارتباط با ماموریت های فضایی است، زیرا این امر امکان ارسال داده های بسیار بیشتری را در فرکانس های بالاتر فراهم می کند. سیسلر می گوید: «این دستگاه ها برای کاری که انجام می دهند عالی هستند.
مقاله جدید، “متاسورفس های مکانی-زمانی قابل تنظیم الکتریکی در فرکانس های نوری” در شماره 24 ژوئیه مجله ظاهر می شود. فناوری نانو طبیعی.
مرجع: “متاسورفس های مکانی-زمانی قابل تنظیم الکتریکی در فرکانس های نوری” توسط جارد سیسلر، پراکی تورجا، میر ی. گرادجوور، روزان سوهویان، آیوی هوانگ و هری آ. آتواتر، 24 ژوئیه 2024. فناوری نانو طبیعی.
DOI: 10.1038/s41565-024-01728-9
نویسندگان دیگر این مقاله عبارتند از Meir Y. Grajower، همکار سابق فوق دکتری در گروه Atwater. روزان سوهویان، محقق نانوفوتونیک در Caltech; و آیوی هوانگ، سابق بورسیه تحقیقاتی تابستانی کارشناسی دانشجوی گروه آتواتر این کار توسط دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی، متا تصویربرداری MURI، پشتیبانی شد. دارپا EXTREME، شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا و Meta Platforms, Inc.
