従来の光学を超えて：カリフォルニア工科大学の科学者が、新しい無線通信チャネルの開発に使用できる「時空メタサーフェス」を構築

7 月 29 日のニュースによると、カリフォルニア工科大学のチームは、入射光ビームを複数の光ビームに反射し、それぞれが異なる周波数で拡散できる、マイクロチューナブル アンテナで覆われたナノスケール デバイスを構築しました。異なる方向。報告によると、この種の「光周波数で電気的に調整可能な時空メタサーフェス」は、光の周波数を制御し、同時に変更することができ、将来の無線通信チャネルへの道を指し示すことができるという。関連する結果は、「Nature: Nanotechnology」(添付DOI: 10.1038/s41565-024-01728-9)に掲載されています。

図に示すように、入射レーザービーム (緑) はこの新しい「時空メタサーフェス」に当たり、調整可能なナノ構造アンテナによって変調され、さまざまな周波数の制御可能なビーム (青) を生成できます。地球上または宇宙でデータを送信するための光チャネルとして。
「これらのメタサーフェスを使用することで、1 つの光線が入ってきて複数の光線が出射し、それぞれが異なる光周波数を持ち、異なる方向に進むことを示すことができました」と工学・応用学科のオーティス・ブース氏は述べています。科学のリーダー「これは完全な通信チャネルのようなものです」と会長で応用物理学および材料科学のハワード・ヒューズ教授で論文の主著者であるハリー・アトウォーター氏は、「私たちは光ではなく自由空間で信号を送信する方法を発見した。この研究は、新しい無線通信チャネルを開発するための実現可能な道を示すだけでなく、新しい測距技術の開発や、より多くのデータを宇宙に送受信する方法の開発にもつながる可能性があります。道を指し示す。
この作品を理解するには、まず「メタサーフェス」という用語を考えてください。 「メタ」という言葉は、「超越」を意味するギリシャ語の接頭語に由来しています。
カメラや顕微鏡レンズなどの従来の光学部品の能力を超えることを目的とした「メタサーフェス」は、光を反射、散乱、その他の方法で制御できるナノアンテナの慎重に選択されたパターンで設計された多層トランジスタのようなデバイスです。これらの平面デバイスは、光の反応に影響を与える一連のナノ要素を戦略的に設計することにより、光を集束させたり (レンズに似たもの)、光を反射したり (鏡に似たもの) できます。
報告によると、「時空メタサーフェス」と呼ばれるこの物体は、特定の方向に特定の周波数で光を反射することができます（周波数は、1秒間に点を通過する波の数として定義されます）。このデバイスのコアは長さと幅がわずか 120 ミクロンで、電気通信に一般的に使用される光周波数 (具体的には 1530 ナノメートル) で反射モードで動作します。これは無線周波数の数千倍であり、より多くの利用可能な帯域幅をもたらすことになります。 。
航空機で使用されるレーダーナビゲーション機器など、電子機器は無線周波数で光ビームをさまざまな方向に簡単に操作できますが、現時点では、より高い光周波数でこれを実行できる電子機器はありません。そこで研究者らは、アンテナ自体の特性を変更するという別のアプローチを試みる必要がありました。
シスラーとトゥレジアは、金のアンテナとその下にある電気的に調整可能なインジウムスズ酸化物半導体層で構成されるこの「メタサーフェス」をどういうわけか開発しました。これは、既知の電圧分布を適用することで作成できます。電圧分布は、各アンテナの下の半導体層の電子密度を局所的に変調し、変化させます。屈折率 (光を屈折させる材料の能力)。
「デバイス全体に異なる電圧の空間構成を持たせることで、かさばるコンポーネントを交換することなく、リアルタイムで反射光を指定の角度に向け直すことができます。」と Turegia 氏は言います。「特定の周波数で入射レーザー ビームを照射します。次に、メタサーフェスはアンテナ信号を高周波電圧信号で適時に変調し、情報を送信するための高速データ レート チャネルとして使用できる、入射レーザー光によって運ばれる複数の新しい周波数または側波帯を作成します。これは、各チャネルが空間内のどこにあるかを選択できることを意味します」とシスラー氏は説明し、「私たちは周波数を生成し、それを空間に向けています。これがこのメタサーフェスの時空間コンポーネントです。「光学メタサーフェスが実現可能で広く使用される技術になれば」と説明しました。そうすれば、10年後には他の人々と一緒にスターバックスに座ることができるようになるでしょう」とカリフォルニア工科大学リキッド・サンライト・アライアンスのディレクターであるアトウォーター氏は語った。インターネット・アクセス、そして誰もが得られるのは無線周波数のWi-Fi信号ではない「メタサーフェスは、独自の高忠実度の光信号を送信できます。」 「メタサーフェスは、すべての人に異なる周波数を放射できるようになります。」

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