Jenseits der traditionellen Optik: Caltech-Wissenschaftler bauen eine „Raum-Zeit-Metaoberfläche“, die zur Entwicklung neuer drahtloser Kommunikationskanäle genutzt werden könnte

Laut Nachrichten vom 29. Juli hat ein Team des California Institute of Technology ein nanoskaliges Gerät gebaut, das mit mikroabstimmbaren Antennen ausgestattet ist, die einen einfallenden Lichtstrahl in mehrere Lichtstrahlen mit jeweils unterschiedlicher Frequenz reflektieren können verschiedene Richtungen. Berichten zufolge können solche „elektrisch abstimmbaren Raum-Zeit-Metaoberflächen auf optischen Frequenzen“ die Lichtfrequenz gleichzeitig steuern und verändern und den Weg für zukünftige drahtlose Kommunikationskanäle weisen. Relevante Ergebnisse wurden in „Nature: Nanotechnology“ veröffentlicht (beigefügter DOI: 10.1038/s41565-024-01728-9).

Wie in der Abbildung dargestellt, trifft der einfallende Laserstrahl (grün) auf diese neue „Raum-Zeit-Metaoberfläche“ und wird von der abstimmbaren Nanostrukturantenne moduliert, die steuerbare Strahlen (blau) unterschiedlicher Frequenzen erzeugen kann, die genutzt werden können als optischer Kanal zur Datenübertragung auf der Erde oder im Weltraum.
„Mit diesen Metaoberflächen konnten wir zeigen, dass ein Lichtstrahl eingeht und mehrere Lichtstrahlen ausgehen, jeder mit einer anderen optischen Frequenz und in eine andere Richtung“, sagte Otis Booth, Abteilung für Ingenieurwissenschaften und Angewandte Technik „Es ist wie eine komplette Reihe von Kommunikationskanälen“, sagte Harry Atwater, Vorsitzender, Howard Hughes-Professor für Angewandte Physik und Materialwissenschaften und leitender Autor des Papiers. „Wir haben einen Weg gefunden, Signale im freien Raum statt auf optischen Kanälen zu übertragen.“ „
Diese Arbeit weist nicht nur auf einen praktikablen Weg für die Entwicklung neuer drahtloser Kommunikationskanäle hin, sondern könnte auch zur Entwicklung neuer Entfernungstechnologien und sogar zu einer Möglichkeit führen, mehr Daten in den und aus dem Weltraum zu übertragen den Weg weisen.
Um diese Arbeit zu verstehen, betrachten Sie zunächst den Begriff „Metaoberfläche“. Das Wort „meta“ leitet sich vom griechischen Präfix ab, das „jenseits“ bedeutet.
Mit dem Ziel, die Fähigkeiten herkömmlicher optischer Komponenten wie Kamera- oder Mikroskopobjektive zu übertreffen, handelt es sich bei „Metaoberflächen“ um mehrschichtige, transistorähnliche Geräte, die mit sorgfältig ausgewählten Mustern von Nanoantennen entwickelt wurden, die Licht reflektieren, streuen oder auf andere Weise steuern können. Diese planaren Geräte können Licht fokussieren (ähnlich einer Linse) oder Licht reflektieren (ähnlich einem Spiegel), indem sie eine Reihe von Nanoelementen strategisch entwerfen, die die Reaktion des Lichts beeinflussen.
Berichten zufolge kann dieses Ding namens „Raum-Zeit-Metaoberfläche“ Licht in eine bestimmte Richtung und mit einer bestimmten Frequenz reflektieren (die Frequenz ist definiert als die Anzahl der Wellen, die pro Sekunde einen Punkt passieren). Der Kern dieses Geräts ist nur 120 Mikrometer lang und breit und arbeitet im Reflexionsmodus bei optischen Frequenzen, die üblicherweise für die Telekommunikation verwendet werden (insbesondere 1530 Nanometer), die tausende Male höher sind als Funkfrequenzen, was bedeutet, dass es mehr verfügbare Bandbreite bietet .
Bei Funkfrequenzen können elektronische Geräte Lichtstrahlen problemlos in verschiedene Richtungen lenken, wie beispielsweise Radarnavigationsgeräte in Flugzeugen, aber derzeit gibt es keine elektronischen Geräte, die dies bei höheren optischen Frequenzen tun können. Daher mussten die Forscher einen anderen Ansatz ausprobieren und die Eigenschaften der Antenne selbst verändern.
Sisler und Turegia haben irgendwie diese „Metaoberfläche“ entwickelt, die aus einer Goldantenne mit einer elektrisch abstimmbaren Indium-Zinn-Oxid-Halbleiterschicht darunter besteht, die durch Anlegen bekannter Techniken hergestellt werden kann. Die Spannungsverteilung moduliert lokal die Elektronendichte in der Halbleiterschicht unter jeder Antenne und verändert sich sein Brechungsindex (die Fähigkeit des Materials, Licht zu brechen).
„Durch räumliche Konfigurationen unterschiedlicher Spannungen über das gesamte Gerät können wir reflektiertes Licht in bestimmten Winkeln in Echtzeit umleiten, ohne sperrige Komponenten austauschen zu müssen“, sagte Turegia.
„Wir richten einen einfallenden Laserstrahl auf eine bestimmte Frequenz aus.“ Unsere Metaoberfläche moduliert dann das Antennensignal zeitlich mit einem hochfrequenten Spannungssignal und erzeugt so mehrere neue Frequenzen oder Seitenbänder, die vom einfallenden Laserlicht getragen werden und als Kanäle mit hoher Datenrate zum Senden von Informationen verwendet werden können. Es besteht weiterhin räumliche Kontrolle „Das heißt, wir können wählen, wo sich jeder Kanal im Raum befindet“, erklärte Sisler. „Wir erzeugen Frequenzen und leiten sie durch den Raum. Das ist die Raum-Zeit-Komponente dieser Metaoberfläche.“ Dann können Sie in zehn Jahren mit einer Gruppe anderer Leute in einem Starbucks sitzen“, sagte Atwater, Direktor der Liquid Sunlight Alliance am Caltech. Internetzugang, und was jeder bekommt, ist kein Radiofrequenz-Wi-Fi-Signal , aber ihr eigenes optisches High-Fidelity-Signal.“ „Eine Metaoberfläche wird in der Lage sein, unterschiedliche Frequenzen an jeden auszusenden.“

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