Un'immagine schematica di metamolecole plasmoniche di grafene in grado di controllare l'ampiezza e la fase indipendenti della luce. Attestazione:KAIST
I ricercatori hanno descritto una nuova strategia di progettazione di metamolecole che incorpora due metaatomi di lunghezza d'onda controllabili indipendentemente. Questo controllo a due parametri della metamolecola assicura il controllo completo sia dell'ampiezza che della fase della luce.
Un team di ricerca KAIST in collaborazione con l'Università del Wisconsin-Madison ha suggerito teoricamente una metasuperficie attiva a base di grafene in grado di controllare l'ampiezza e la fase indipendenti della luce nel medio infrarosso. Questa ricerca fornisce nuove informazioni sulla modulazione del fronte d'onda del medio infrarosso ad alta risoluzione risolvendo il problema del controllo indipendente dell'ampiezza e della fase della luce, che è rimasta una sfida di lunga data.
La tecnologia di modulazione della luce è essenziale per lo sviluppo di futuri dispositivi ottici come l'olografia, immagini ad alta risoluzione, e sistemi di comunicazione ottica. Cristalli liquidi e un sistema microelettromeccanico (MEMS) sono stati precedentemente utilizzati per modulare la luce. Però, entrambi i metodi soffrono di velocità di guida significativamente limitate e dimensioni dei pixel dell'unità maggiori del limite di diffrazione, che di conseguenza ne impediscono l'integrazione nei sistemi fotonici.
La piattaforma metasurface è considerata un forte candidato per la prossima generazione di tecnologia di modulazione della luce. Le metasuperfici hanno proprietà ottiche che i materiali naturali non possono avere, e può superare i limiti dei sistemi ottici convenzionali, come formare un'immagine ad alta risoluzione oltre il limite di diffrazione. In particolare, la metasuperficie attiva è considerata una tecnologia con un'ampia gamma di applicazioni grazie alle sue caratteristiche ottiche sintonizzabili con un segnale elettrico.
Però, le precedenti metasuperfici attive soffrivano dell'inevitabile correlazione tra il controllo dell'ampiezza della luce e il controllo di fase. Questo problema è causato dal meccanismo di modulazione delle metasuperfici convenzionali. Le metasuperfici convenzionali sono state progettate in modo tale che un meta-atomo abbia solo una condizione di risonanza, ma un singolo design risonante intrinsecamente manca dei gradi di libertà per controllare in modo indipendente l'ampiezza e la fase della luce.
Il team di ricerca ha creato una meta-unità combinando due meta-atomi controllabili indipendentemente, migliorando drasticamente l'intervallo di modulazione delle metasuperfici attive. La metasuperficie proposta può controllare l'ampiezza e la fase della luce nel medio infrarosso in modo indipendente con una risoluzione oltre il limite di diffrazione, consentendo così il completo controllo del fronte d'onda ottico.
Il team di ricerca ha confermato teoricamente le prestazioni della metasuperficie attiva proposta e la possibilità di modellare il fronte d'onda utilizzando questo metodo di progettazione. Per di più, hanno sviluppato un metodo analitico in grado di approssimare le proprietà ottiche delle metasuperfici senza complesse simulazioni elettromagnetiche. Questa piattaforma analitica propone una linea guida di progettazione della metasuperficie più intuitiva e applicabile in modo completo.
Dottorando Sangjun Han (a sinistra), Dott. Seyoon Kim (al centro), e il professor Min Seok Jang (a destra). Credito:The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
La tecnologia proposta dovrebbe consentire un'accurata modellazione del fronte d'onda con una risoluzione spaziale molto più elevata rispetto alle tecnologie di modellatura del fronte d'onda esistenti, che verrà applicato a sistemi ottici attivi come l'olografia nel medio infrarosso, dispositivi di guida del fascio ad alta velocità che possono essere applicati per LiDAR, e lenti a infrarossi a fuoco variabile.
Il professor Min Seok Jang ha commentato:"Questo studio ha mostrato l'ampiezza del controllo indipendente e la fase della luce, che è stata una ricerca di lunga data nella tecnologia dei modulatori di luce. Lo sviluppo di dispositivi ottici che utilizzano un controllo del fronte d'onda complesso dovrebbe diventare più attivo in futuro".
dottorato di ricerca il candidato Sangjun Han e il Dr. Seyoon Kim dell'Università del Wisconsin-Madison sono i co-primi autori della ricerca, che è stato pubblicato e selezionato come copertina dell'edizione del 28 gennaio di ACS Nano intitolato "Modulazione di ampiezza complessa completa con metamolecole plasmoniche di grafene sintonizzabili elettronicamente".
