Nanooptiska antenner kan ha stor inverkan

Antennen, en hundraårig teknik, finns överallt. Lyssnar på radio? Ringa ett samtal på din mobiltelefon? Surfar du på nätet via Wi-Fi? Antennen gjorde det hela möjligt.

Små antenner: Den här bilden visar en platt lins av metamaterial. Den konceptuella bilden till höger visar hur en sådan lins, gjord av nanoskaliga antenner, fokuserar ljus; den sammansatta bilden till vänster visar ett fotografi av en sådan lins och fasfördröjningen som appliceras på vågen vid olika rumsliga platser (den flerfärgade halvan).

Nu byter antennen också optik.

På Federico Capasso s labb vid Harvard University har forskare tagit fram ett nytt sätt att manipulera ljus med hjälp av optiska antenner i nanoskala. De tar effektivt en radioantenn, böjer den till ett V och krymper den med en faktor på cirka en miljon, för att skapa vad som kallas en optisk resonator. Genom att mönstra en yta med ett antal av dessa resonatorer, böjda i olika vinklar – för att skapa vad som är känt som en metayta – upptäckte de att de kunde få ljus för att göra precis vad de vill.

Här är vad de har lyckats göra hittills:

Speglar som (tycks) bryta mot reflektionens lagar
Vi lärde oss det i grundskolan: infallsvinkeln är lika med reflektionsvinkeln. Skicka ljus rakt mot en spegel och det kommer direkt tillbaka. Inte längre. Forskarnas antennbaserade metasytespeglar reflekterar ljus i godtyckliga riktningar som de själva väljer. Förutom att ge oss en mer allmän förståelse av reflektions- och brytningsfysiken tillåter dessa enheter oss att kontrollera och omdirigera ljus på allt mer mångsidiga sätt.

En platt lins tunn som ett hår
En lins, har vi fått höra, är en rund glasbit med en utbuktning i mitten, som används för att föra ljus till en punkt. För att fokusera en kamera måste vi flytta objektivet, framåt och bakåt, tills en bild blir skarpare. Men tänk om fokuseringselementet kan göras bara 60 nanometer tjockt, hela linsen bredden på några människohår? Tänk om vi kan flytta fokus genom att ändra formen på några små antenner i en sådan lins? Detta kan göra det möjligt för bildbehandlingskomponenter att miniatyriseras som aldrig förr.

Metamaterial Wave Plates
Konventionellt kräver roterande ljuss polarisation, eller växling mellan linjär och cirkulär polarisation, speciella kristaller med brytningsindex som beror på vilket håll det inkommande ljuset är polariserat. Forskarna fann att de kunde efterlikna dessa effekter med sina antennuppsättningar istället. Eftersom genom att byta ljusets polarisation kan man koda data, har denna klass av element potentiella tillämpningar inom kvantoptisk beräkning och kommunikation.

Metamaterial Lab Optik
Två vanliga labbverktyg har också gjorts om i metamaterialform. Den första är en spiralfasplatta, som omvandlar en normal laserfläck till en munkstråle av ljus med vinkelmomentum. Den resulterande virvelstrålen, som den kallas, kan skicka upplysta partiklar i omloppsbana runt dess mörka centrum. Den andra är en axicon, ett optiskt element som genererar en nästan diffraktionsfri Bessel balk , som kan användas för att exakt positionera mikronstora partiklar och flytta dem längs en väldefinierad bana.

Så här fungerar det:

Det visar sig att dessa optiska resonatorer inte skiljer sig alltför mycket från vanliga antenner.

Ljusets oscillerande elektriska fält driver elektroner upp och ner längs varje ledare i antennen. I en mottagare, såsom en TV-antenn, plockas och bearbetas denna fluktuerande ström. Men det finns en sekundär effekt på jobbet: accelererade laddningar strålar också ut. Och det återutstrålade fältet kommer i allmänhet att skilja sig i polarisation, amplitud och fas. Hur stor skillnad beror på form, storlek och orientering för varje resonator, och det är detta spridda fält som forskarna manipulerar. Polarisation beskriver det elektriska fältets riktning; amplitud anger storleken på svängningarna; och fasen markerar var vågen befinner sig i sin cykel. Tillsammans med frekvens räcker de för att fullständigt beskriva en ljusstråle.

Konventionella optiska element ändrar ljusets fas och polarisering genom att passera det genom material med varierande tjocklek. Tjockleken måste mätas noggrant, krökningarna skäras exakt, för att undvika fel och defekter. Antennuppsättningen kan uppnå samma sak genom att direkt ställa in önskad polarisation, amplitud och ljusfas vid varje punkt i rymden, som om strålen just hade passerat genom en lins. På så sätt byggs vågen upp pixel för pixel, nästan digitalt.

På ett avstånd som är mindre än en våglängd ovanför matrisen är den nya strålen redan helt bildad. Detta genombrott har utan tvekan gett oss den mest kompakta optik som världen någonsin har sett. I en kommande artikel i IEEE sammanfattar forskarna sina resultat. De granskar vetenskapen bakom deras nya, antennbaserade metamaterial och uppdaterar oss om de framsteg de har gjort med att ersätta konventionell optik med dessa platta alternativ.

Vad det är: En klass av optik som mestadels är fri från de förvrängningar som är vanliga för sina konventionella motsvarigheter, som är lätta att göra med väletablerade tryckmetoder, och i huvudsak tvådimensionell.

Vad det inte är: Dessa antenner är inte allmänt användbara för att hantera synliga våglängder av ljus. Dessa komponenter är inte heller polarisationsupprätthållande, eftersom olika aspekter av vågen (polarisation, fas, amplitud) manipuleras tillsammans, vilket begränsar tillämpningar. Ett annat problem är ineffektivitet, på grund av deras beroende av spridningsmekanismen.

Men även med en sådan begränsning, som exemplen ovan antyder, finns det tillräckligt med anledning att vara upphetsad.

Dölj