Le metasuperfici sono metamateriali otticamente sottili in grado di controllare completamente il fronte d'onda della luce, sebbene siano principalmente utilizzati per controllare la fase della luce. In un nuovo rapporto, Adam C. Overvig e colleghi dei dipartimenti di Fisica Applicata e Matematica Applicata della Columbia University e del Center for Functional Nanomaterials presso il Brookhaven National Laboratory di New York, NOI., presentato un nuovo approccio allo studio, ora pubblicato su Luce:scienza e applicazioni . Il semplice concetto utilizzava meta-atomi con un grado variabile di birifrangenza di forma e angoli di rotazione per creare metasuperfici dielettriche ad alta efficienza con la capacità di controllare l'ampiezza ottica (estensione massima di una vibrazione) e la fase a una o due frequenze. Il lavoro ha aperto applicazioni nell'olografia generata da computer per riprodurre fedelmente la fase e l'ampiezza di una scena olografica target senza utilizzare algoritmi iterativi che sono tipicamente richiesti durante l'olografia di sola fase.

Il team ha dimostrato ologrammi metasuperficiali completamente dielettrici con controllo indipendente e completo dell'ampiezza e della fase. Hanno usato due frequenze ottiche simultanee per generare ologrammi bidimensionali (2-D) e 3-D nello studio. Le metasuperfici di ampiezza di fase consentivano funzionalità aggiuntive che non potevano essere ottenute con l'olografia di sola fase. Le funzionalità includevano ologrammi 2-D privi di artefatti, la capacità di codificare profili di fase e ampiezza separati sul piano dell'oggetto e di codificare separatamente i profili di intensità sulla metasuperficie e sui piani dell'oggetto. Utilizzando il metodo, gli scienziati hanno anche controllato le trame superficiali degli oggetti olografici 3D.

Le onde luminose possiedono quattro proprietà chiave tra cui ampiezza, fase, polarizzazione e impedenza ottica. Gli scienziati dei materiali utilizzano metamateriali o "metasuperfici" per sintonizzare queste proprietà a frequenze specifiche con lunghezze d'onda inferiori, risoluzione spaziale. I ricercatori possono anche progettare singole strutture o "metaatomi" per facilitare una varietà di funzionalità ottiche. La funzionalità del dispositivo è attualmente limitata dalla capacità di controllare e integrare tutte e quattro le proprietà della luce in modo indipendente in laboratorio. Le battute d'arresto includono sfide nello sviluppo di singoli meta-atomi con risposte variabili a una frequenza desiderata con un singolo protocollo di fabbricazione. Gli studi di ricerca in precedenza utilizzavano diffusori metallici a causa delle loro forti interazioni luce-materia per eliminare le perdite ottiche intrinseche relative ai metalli mentre si utilizzavano piattaforme dielettriche senza perdite per il controllo di fase ad alta efficienza, la proprietà più importante per il controllo del fronte d'onda. Ulteriori sforzi recenti hanno tentato di controllare simultaneamente più di un parametro alla volta e formare metasuperfici acromatiche, dispositivi ingegnerizzati a dispersione e ologrammi multicolori.

Nel presente lavoro, Overvig et al. ha presentato una piattaforma metasuperficiale con controllo arbitrario e simultaneo dell'ampiezza e della fase utilizzando frequenze di telecomunicazione all'interno di un dispositivo di tipo trasmissivo. Hanno controllato l'ampiezza variando l'efficienza di conversione della luce polarizzata circolarmente da una mano alla mano opposta (da sinistra a destra) usando meta-rifrangenti strutturalmente (un raggio di luce incidente su un materiale è diviso in due come raggi ordinari e straordinari) atomi, controllando la fase tramite l'orientamento nel piano dei meta-atomi. L'approccio ha generalizzato una piattaforma meta-superficiale ben studiata che ha impiegato la fase "geometrica" ​​o "Pancharatnam-Berry" per il controllo simultaneo di ampiezza e fase.

L'approccio potrebbe essere facilmente generalizzato alle frequenze visibili all'interno di metasuperfici dielettriche compatibili con CMOS. Per dimostrare i vantaggi dell'esperimento, hanno confrontato ologrammi generati dal computer con metasuperfici di fase e ampiezza (PA) e ologrammi generati con metasuperfici di sola fase (PO) per mostrare che solo i costrutti PA possono creare immagini olografiche prive di artefatti. Overvig et al. implementato l'olografia PA per progettare ologrammi metasuperficiali con alta fedeltà per formare artistici e complessi, oggetti olografici tridimensionali (3-D). Hanno creato e ottimizzato metasuperfici con due gradi di libertà per pixel per controllare l'ampiezza e la fase sul piano dell'oggetto. Il team di ricerca ha esteso il semplice schema per includere l'ingegneria della dispersione strutturale dei meta-atomi e controllare contemporaneamente la fase e l'ampiezza degli ologrammi a due colori.

I ricercatori hanno impiegato a lungo l'approccio della fase geometrica per variare spazialmente la fase della luce in un processo che può essere tecnicamente implementato semplicemente alterando l'orientamento di un materiale birifrangente. In questo lavoro, il team ha variato sperimentalmente il grado di birifrangenza dalla luce polarizzata circolarmente sinistra (LCP) alla luce polarizzata circolarmente destra (RCP) per controllare in modo indipendente l'ampiezza e la fase ottiche. Hanno anche creato una libreria di meta-atomi e visualizzato l'azione eseguita utilizzando percorsi lungo una sfera di Poincaré. Come implementazione proof-of-concept, i ricercatori hanno scelto una lunghezza d'onda operativa di 1,55 µm e hanno progettato una piattaforma compatibile con CMOS di metasuperfici di silicio amorfo (α-Si) su substrati di silice fusa. Hanno quindi modellato la libreria di meta-atomi target utilizzando simulazioni nel dominio del tempo a differenze finite e hanno dimostrato numericamente il controllo arbitrario dell'ampiezza e della fase.

Per il controllo sperimentale completo dell'ampiezza e della fase, Overvig et al. implementati ologrammi generati dal computer (CGH). Il primo CGH ha generato un'immagine olografica bidimensionale (2-D) utilizzando l'olografia PA con una migliore fedeltà dell'immagine rispetto alle versioni formate con l'olografia PO. Nel secondo CGH hanno creato un semplice, Immagine olografica 3D contenente una raccolta di punti per mostrare la dipendenza dell'olografia 3D dal piano focale e dall'angolo di osservazione. Il terzo CGH ha dimostrato la fedele ricostruzione di un complesso oggetto olografico 3-D a forma di mucca, che indicava la capacità di progettare scene artisticamente interessanti e complesse. Il team ha simulato strutture superficiali ruvide o lisce utilizzando una distribuzione casuale o uniforme della fase sparsa sulla superficie di una mucca. La quarta versione ha mostrato la capacità di codificare separatamente la fase e l'ampiezza sul piano dell'oggetto per ricostruire un segno Yin-Yang, considerando che il quinto CGH ha codificato un'immagine olografica con la distribuzione di fase di un ologramma in scala di grigi della corona Columbia, l'emblema ufficiale della Columbia Engineering, Università della Columbia.

Durante la ricostruzione del logo della Columbia Engineering per generare un CGH 2-D, il team ha discretizzato un'immagine target in sorgenti dipolo con ampiezze di uno (area all'interno del logo) e zero (lo sfondo) e una fase uniforme. Hanno registrato l'interferenza di queste sorgenti dipolari dall'immagine target a una distanza specifica (750 μm), che corrispondeva alla posizione della metasuperficie per ricostruire l'immagine target. Durante la ricostruzione del secondo ologramma PO della corona Columbia, Overvig et al. ha utilizzato un approccio alternativo noto come algoritmo di Gerchberg-Saxton (GS) per generare la distribuzione di intensità desiderata dell'immagine target. Non richiedevano iterazioni simili con l'olografia PA, che ha permesso loro di riprodurre fedelmente sia la fase che l'ampiezza dell'ologramma desiderato. I ricercatori hanno ricostruito ogni immagine olografica utilizzando simulazioni ed esperimenti numerici e hanno osservato una migliore qualità dell'immagine nell'ologramma PA rispetto agli ologrammi PO o GS.

L'olografia PA ha inoltre consentito agli scienziati di controllare i profili di ampiezza di due piani separati anziché l'ampiezza e la fase su un singolo piano. Hanno prodotto immagini olografiche e hanno mostrato un buon accordo tra ricostruzioni sperimentali e simulazioni. Gli scienziati hanno esteso il semplice approccio per controllare la fase e l'ampiezza in modo indipendente a due lunghezze d'onda separate. In cui controllavano simultaneamente quattro parametri del fronte d'onda in ogni meta-atomo, che sperimentalmente richiedeva più di due gradi di libertà. Il team ha esteso gli sforzi passati per includere la birifrangenza durante la progettazione del meta-atomo per controllare ampiamente la risposta di fase delle polarizzazioni ordinarie e straordinarie (birifrangenza) delle due lunghezze d'onda.

Dopo aver usato micrografie elettroniche a scansione per osservare i dispositivi fabbricati, hanno acquisito ricostruzioni sperimentali a due colori allineando l'eccitazione LCP a una lunghezza d'onda di 1,65 µm (canale rosso) e un'eccitazione RCP a una lunghezza d'onda di 0,94 µm (canale blu). Il numero di meta-atomi che hanno richiesto la simulazione si è avvicinato a 60, 000 nello studio, che rappresentava un compito computazionale arduo per una precisione superiore a quella attualmente raggiunta. Overvig et al. quindi limitato lo studio alla presente soluzione imperfetta ma gestibile dal punto di vista computazionale.

In questo modo, Adam C. Overvig e un team di ricerca interdisciplinare hanno dimostrato ologrammi di metasuperfici utilizzando metasuperfici dielettriche a bassa perdita. Hanno operato i costrutti in modalità di trasmissione con controllo di fase e ampiezza completo e indipendente a una e due lunghezze d'onda, impiegando un principio di progettazione semplice ma potente per aprire un grado di controllo su lunghezze d'onda ottiche utili per molte applicazioni. Il lavoro offre un metodo robusto e ampiamente applicabile per manipolare un fronte d'onda ottico a piacimento e realizzare così la promessa primaria delle metasuperfici.

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