재구성 가능한 메타표면을 통한 빛의 미래 형성
날짜:
2022년 5월 16일
원천:
조지아 공과대학
요약:
'상 변화' 재료의 힘을 활용하여 연구원들은 재구성 가능한 메타표면(특별한 광학적 특성을 가진 인공 재료)이 나노기술의 미래에 얼마나 중요한지 보여주었습니다.
광학 렌즈의 기술 발전은 오랫동안 인류의 과학적 성취를 나타내는 중요한 지표였습니다. 안경, 망원경, 카메라, 현미경은 모두 문자 그대로 그리고 비유적으로 우리가 세상을 새로운 시각으로 볼 수 있게 해주었습니다. 렌즈는 또한 반도체 산업에서 나노 전자 제품을 제조하는 기본 구성 요소입니다.
최근 역사상 가장 영향력 있는 렌즈 기술의 획기적인 발전 중 하나는 광자 메타표면(photonic metasurfaces)의 개발이었습니다. 즉, 놀라운 광학적 특성을 가진 인공적으로 설계된 나노 규모의 재료입니다. 이 기술의 최전선에 있는 Georgia Tech 연구원들은 최근 Nature Communications 에서 발표한 최근 연구에서 최초의 전기적으로 조정 가능한 광자 메타표면 플랫폼을 시연했습니다 .
전기 및 컴퓨터 공학부의 Ali Adibi 교수는 "메타표면은 광학 시스템을 매우 얇게 만들 수 있으며 제어 및 조정이 쉬워짐에 따라 곧 휴대전화 카메라 및 유사한 전자 이미징 시스템에서 찾을 수 있습니다."라고 말했습니다. 조지아 공과대학에서.
새로운 플랫폼을 통해 달성된 확연한 조정 조치는 재구성 가능한 소형 메타표면의 개발을 향한 중요한 발전을 나타냅니다. 연구 결과에 따르면 반사 특성의 기록적인 11배 변화, 작동을 위한 광범위한 스펙트럼 튜닝 및 훨씬 빠른 튜닝 속도가 나타났습니다.
메타표면 가열
메타표면은 다양한 범위의 소형화된 요소가 제어된 방식으로 다양한 주파수에서 빛의 투과 및 반사에 영향을 미치도록 설계된 일종의 나노광자 재료입니다.
"매우 강한 현미경으로 볼 때 메타표면은 포스트의 주기적인 배열처럼 보입니다"라고 Adibi는 말했습니다. "가장 좋은 비유는 많은 유사한 LEGO 블록을 서로 연결하여 형성된 LEGO 패턴을 생각하는 것입니다."
메타표면은 처음부터 매우 얇은 광학 장치가 가장 발전된 응용 분야인 금속 렌즈(얇은 렌즈의 형성)와 함께 광 전파에 영향을 줄 수 있음을 입증하기 위해 사용되었습니다.
인상적인 발전에도 불구하고 대부분의 시연된 메타표면은 수동적이어서 제작 후 성능을 변경(또는 조정)할 수 없습니다. Ph.D.가 이끄는 Adibi와 그의 팀이 발표한 작업 Sajjad Abdollahramezani 후보는 재구성 가능한 메타표면을 높은 수준의 광 변조로 쉽게 제조할 수 있는 플랫폼을 만들기 위해 특별한 종류의 나노광자 재료에 전기 열을 가합니다.
PCM이 답을 제공합니다
금속, 산화물 및 반도체를 포함한 메타표면을 형성하는 데 광범위한 재료가 사용될 수 있지만 Abdollahramezani와 Adibi의 연구는 가장 작은 피처 크기로 가장 효과적인 구조를 형성할 수 있기 때문에 상변화 재료(PCM)에 중점을 둡니다. PCM은 가열 및 냉각 과정에서 열을 흡수하고 방출하는 물질입니다. 그들은 열 순환 과정 동안 한 결정화 상태에서 다른 결정화 상태로 이동하기 때문에 "상 변화" 물질이라고 합니다. 물이 액체에서 고체 또는 기체로 변하는 것이 가장 일반적인 예입니다.
Georgia Tech 팀의 실험은 물을 데우고 얼리는 것보다 훨씬 더 복잡합니다. PCM의 광학 특성이 국부 가열에 의해 변경될 수 있다는 사실을 알고 있는 그들은 게르마늄, 안티몬 및 텔루르의 화합물인 PCM 합금 Ge 2 Sb 2 Te 5 (GST) 의 잠재력을 최대한 활용했습니다 .
광학 설계와 그 아래에 있는 소형 전기 마이크로히터를 결합함으로써 팀은 GST의 결정상을 변경하여 메타표면 장치의 능동적인 조정을 가능하게 할 수 있습니다. 제작된 메타표면은 조지아 공대의 IEN(Institute for Electronics and Nanotechnology)에서 개발되었으며 재구성 가능한 메타표면에 다양한 주파수의 레이저 광을 비추고 반사된 빛의 특성을 실시간으로 측정하여 특성화 실험실에서 테스트되었습니다.
조정 가능한 메타표면이 미래에 의미하는 것
장치 소형화 및 시스템 통합과 다양한 색상의 빛을 선택적으로 반사하는 능력으로 인해 메타표면은 과거의 부피가 큰 광학 어셈블리를 빠르게 대체하고 있습니다. 자율주행차용 LiDAR 시스템, 이미징, 분광학 및 감지와 같은 기술에 즉각적인 영향이 예상됩니다.
Abdollahramezani와 Adibi에 따르면 추가 개발로 컴퓨팅, 증강 현실, 인공 지능을 위한 포토닉 칩, 생물학적 위험 감지와 같은 보다 공격적인 애플리케이션도 구상할 수 있습니다.
"플랫폼이 계속 개발됨에 따라 재구성 가능한 메타표면이 모든 곳에서 발견될 것입니다."라고 Adibi는 말했습니다. "그들은 심지어 더 작은 내시경이 더 나은 이미징을 위해 신체 깊숙이 들어갈 수 있도록 하고 의료 센서가 혈액에서 다양한 바이오마커를 감지하는 데 도움이 될 것입니다."