再構成可能なメタサーフェスで光の未来を形作る(Shaping the Future of Light through Reconfigurable Metasurfaces)

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2022-05-10 ジョージア工科大学

ジョージア工科大学の研究者たちは、「相変化」材料の力を利用し、再構成可能なメタサーフェス(並外れた光学特性を持つ人工材料)が、ナノテクノロジーの未来にとっていかに重要であるかを実証した。
光学レンズの技術的進歩は、長い間、人類の科学的達成の重要な指標となってきた。眼鏡、望遠鏡、カメラ、顕微鏡はすべて、文字通り、そして比喩的に、私たちに新しい光の中で世界を見ることを可能にしてきました。レンズはまた、半導体産業によるナノエレクトロニクス製造の基本的な構成要素でもあります。
最近のレンズ技術における最も衝撃的なブレークスルーは、フォトニックメタサーフェスの開発です。これは、優れた光学特性を持つナノスケールの材料を人工的に設計したものです。この技術の最前線にいるジョージア工科大学の研究者は、Nature Communicationsに掲載された最近の研究で、電気的に調整可能なフォトニックメタサーフェス・プラットフォームを世界で初めて実証しました。

<関連情報>

80%の効率を達成した電気駆動再プログラム可能な相変化メタサーフェス Electrically driven reprogrammable phase-change metasurface reaching 80% efficiency

Sajjad Abdollahramezani,Omid Hemmatyar,Mohammad Taghinejad,Hossein Taghinejad,Alex Krasnok,Ali A. Eftekhar,Christian Teichrib,Sanchit Deshmukh,Mostafa A. El-Sayed,Eric Pop,Matthias Wuttig,Andrea Alù,Wenshan Cai & Ali Adibi
Nature Communications  Published: 30 March 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-29374-6

Abstract

Phase-change materials (PCMs) offer a compelling platform for active metaoptics, owing to their large index contrast and fast yet stable phase transition attributes. Despite recent advances in phase-change metasurfaces, a fully integrable solution that combines pronounced tuning measures, i.e., efficiency, dynamic range, speed, and power consumption, is still elusive. Here, we demonstrate an in situ electrically driven tunable metasurface by harnessing the full potential of a PCM alloy, Ge2Sb2Te5 (GST), to realize non-volatile, reversible, multilevel, fast, and remarkable optical modulation in the near-infrared spectral range. Such a reprogrammable platform presents a record eleven-fold change in the reflectance (absolute reflectance contrast reaching 80%), unprecedented quasi-continuous spectral tuning over 250 nm, and switching speed that can potentially reach a few kHz. Our scalable heterostructure architecture capitalizes on the integration of a robust resistive microheater decoupled from an optically smart metasurface enabling good modal overlap with an ultrathin layer of the largest index contrast PCM to sustain high scattering efficiency even after several reversible phase transitions. We further experimentally demonstrate an electrically reconfigurable phase-change gradient metasurface capable of steering an incident light beam into different diffraction orders. This work represents a critical advance towards the development of fully integrable dynamic metasurfaces and their potential for beamforming applications.

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