據麥姆斯咨詢報道，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員近日發表了一種可調諧超表面（一種具有納米結構的平面光學元件）的重要新進展。他們打了一個形象的比喻，過去的平面光學元件就像普通水果刀，而他們開發的可調諧超表面就像一把多功能的瑞士軍刀。這項研究成果的關鍵是研究小組開發了一種透明材料，它可以響應熱量快速可逆地改變其原子結構。
這項最新進展已經發表于最近一期的Nature Nanotechnology期刊，論文第一作者Yifei Zhang表示：“通過快速重新配置超表面所開辟的應用具有巨大的想象空間。我們的研究攻克了多項將其實際應用的障礙，為此我們感到非常興奮。”Yifei Zhang是MIT材料科學與工程系（DMSE）的研究生。
西雅圖華盛頓大學副教授Arka Majumdar雖然沒有參與這項研究，不過他評價稱：“可以預見，這項技術有望徹底革新自動駕駛應用的光學神經網絡、深度感知和激光雷達（LiDAR）技術。”
電開關
在論文中，MIT研究人員介紹了利用電流可逆地改變材料結構，從而改變新型超表面的光學特性。過去，研究人員需要利用大型激光器或熱爐來提供必要的熱量?！斑@一點很重要，因為我們現在可以將整個有源光學器件和電流開關集成到一顆硅芯片上，形成一個微型光學平臺?！痹撗芯控撠熑?、DMSE副教授Juejun Hu說。
MIT研究人員開發的集成在硅芯片上并可以利用電流激活的新型超表面，具有約10萬納米級結構的圖案化平面光學元件。
該團隊還利用該平臺展示了一系列可調諧光學功能。其中包括一種光束轉向功能，通過對材料切換不同的（內部）結構，可以在兩個方向之間來回掃描光束。光束轉向是自動駕駛環境感知的關鍵，不過研究人員表示，這種光束轉向功能還相當初級，仍處于原理驗證階段。
新材料
相變材料（PCM）會響應熱變化而改變其結構，它們已經在商業上用于可重寫CD和DVD。Hu解釋稱：“激光束可以局部改變超材料的結構，使其從非晶態轉變為晶態，這種變化可以用來編碼1和0，從而實現數字化信息。”
不過，傳統相變材料的光學應用存在局限性。一方面，它們并不是透明的，無法投射光。這推動研究人員開發了一種可用于光學元件的透明相變材料。今年早些時候，Hu及其研究小組報道稱，在傳統相變材料中添加元素硒可以解決這一問題。
這種由鍺、硒、銻和碲（GSST）組成的材料是開發新型超表面的關鍵。當然，這種超表面并不僅僅是一層GSST薄膜，它在約0.5平方毫米區域內具有約10萬個圖案化的納米級結構。這使其可以控制光的傳播。Hu表示：“由此，我們可以將這些納米結構整合為透鏡等光學元件?！?br />
牛津大學Harish Bhaskaran教授沒有參與這項研究，但他對整個研究工作以及新報道的進展評價稱：“這是一個非常重要的研究方向，這類可調諧超表面盡管是“平面”（或名義上是平面的）或非常薄的，但可以調節光的反射，這非常有意義。它們可以顯著縮小那些用于光操縱的透鏡的體積。MIT研究人員利用低損耗的相變材料為實現這一目標提供了一條有效途徑。他們也是第一批展示利用電控制加熱進行這種動態調諧的研究人員?！?br />
根據同一期Nature Nanotechnology中一篇關于該領域研究進展的評論文章，“這項研究在基于相變材料的可調諧超表面方向取得了突破，不過其方案仍存在缺點?！?br />
Hu的研究團隊正在朝著這些問題研究解決方案。例如，他們的微型光學平臺中使用的加熱器目前是由金屬制成的。但是金屬對于光學器件來說是有問題的，因為它們會吸收光，Hu表示他們正在研制一種新型的透明硅加熱器。
Hu總結稱，這項研究特別令人興奮，因為他們首先發現了一種新材料，然后利用這種新材料設計了一種新應用，完成了從材料創新到器件集成的完整突破。
延伸閱讀：
《AR/VR/MR光學元件和顯示器-2020版》
《激光雷達產業及核心元器件-2020版》
