Nanooptiskajām antenām varētu būt liela ietekme

Antena, gadsimtu veca tehnoloģija, ir visur. Klausies radio? Vai zvanāt pa mobilo tālruni? Vai sērfojat tīmeklī, izmantojot Wi-Fi? Antena to visu padarīja iespējamu.

Mazas antenas: Šajā attēlā redzams metamateriāla plakans objektīvs. Konceptuālais attēls labajā pusē parāda, kā šāds objektīvs, kas izgatavots no nanomēroga antenām, fokusē gaismu; saliktajā attēlā pa kreisi ir redzama šāda objektīva fotogrāfija un fāzes aizkave, kas pielietota vilnim dažādās telpiskās vietās (daudzkrāsainā puse).

Tagad antena maina arī optiku.

Plkst Federiko Kapaso Hārvardas universitātes laboratorijā pētnieki ir izstrādājuši jaunu veidu, kā manipulēt ar gaismu, izmantojot nanomēroga optiskās antenas. Viņi efektīvi ņem radio antenu, saliek to V formā un samazina par aptuveni vienu miljonu, lai izveidotu tā saukto optisko rezonatoru. Veidojot virsmu ar vairākiem šiem rezonatoriem, kas saliekti dažādos leņķos, lai izveidotu tā saukto metavirsmu, viņi atklāja, ka var iegūt gaismu, lai darītu gandrīz visu, ko viņi vēlas.

Lūk, ko viņiem ir izdevies paveikt līdz šim:

Spoguļi, kas (šķiet) pārkāpj atspulgu likumus
Mēs to iemācījāmies pamatskolā: krišanas leņķis ir vienāds ar atstarošanas leņķi. Sūtiet gaismu tieši pie spoguļa, un tā tūlīt atgriezīsies. Vairs ne. Pētnieku antenas metavirsmas spoguļi atspoguļo gaismu viņu izvēlētos patvaļīgos virzienos. Šīs ierīces ne tikai sniedz mums vispārīgāku izpratni par atstarošanas un refrakcijas fiziku, bet arī ļauj mums kontrolēt un novirzīt gaismu arvien daudzpusīgākos veidos.

Plakans objektīvs, tik plāns kā mati
Mēs esam stāstījuši, ka objektīvs ir apaļš stikla gabals ar izliekumu centrā, ko izmanto, lai apgaismotu punktu. Lai fokusētu kameru, mums ir jāpārvieto objektīvs uz priekšu un atpakaļ, līdz attēls kļūst asāks. Bet ko darīt, ja fokusēšanas elementu var izgatavot tikai 60 nanometrus biezu, un visu objektīvu var izgatavot dažu cilvēka matiņu platumā? Ko darīt, ja, mainot dažu sīku antenu formu šādā objektīvā, mēs varam mainīt fokusu? Tas varētu ļaut attēlveidošanas komponentus miniaturizēt kā nekad agrāk.

Metamateriāla viļņu plāksnes
Parasti rotējošas gaismas polarizācijai vai pārslēgšanai starp lineāro un cirkulāro polarizāciju ir nepieciešami īpaši kristāli ar refrakcijas rādītājiem, kas ir atkarīgi no tā, kādā veidā tiek polarizēta ienākošā gaisma. Pētnieki atklāja, ka viņi varētu atdarināt šos efektus ar saviem antenu blokiem. Tā kā, pārslēdzot gaismas polarizāciju, var kodēt datus, šai elementu klasei ir potenciāls pielietojums kvantu optiskajā skaitļošanā un komunikācijā.

Metamateriālu laboratorijas optika
Divi izplatīti laboratorijas rīki ir arī pārveidoti metamateriāla formā. Pirmā ir spirālveida fāzes plāksne, kas pārvērš parasto lāzera punktu par gaismas staru kūli ar leņķisko impulsu. Iegūtais virpuļa stars, kā to sauc, var nosūtīt apgaismotas daļiņas orbītā ap savu tumšo centru. Otrais ir aksikons, optiskais elements, kas rada gandrīz bezdifrakcijas Besela sija , ko var izmantot, lai precīzi novietotu mikronu izmēra daļiņas un pārvietotu tās pa labi definētu ceļu.

Lūk, kā tas darbojas:

Izrādās, šie optiskie rezonatori pārāk neatšķiras no ikdienas antenām.

Gaismas svārstīgais elektriskais lauks virza elektronus uz augšu un uz leju katra antenas vadītāja garumā. Uztvērējā, piemēram, TV antenā, šī mainīgā strāva tiek uztverta un apstrādāta. Taču darbā ir arī sekundārs efekts: izstaro arī paātrināti lādiņi. Un atkārtoti izstarotais lauks parasti atšķiras pēc polarizācijas, amplitūdas un fāzes. Cik liela atšķirība ir atkarīga no katra rezonatora formas, izmēra un orientācijas, un zinātnieki manipulē ar šo izkliedēto lauku. Polarizācija raksturo elektriskā lauka virzienu; amplitūda norāda svārstību lielumu; un fāze norāda, kur vilnis atrodas savā ciklā. Kopā ar frekvenci tie ir pietiekami, lai pilnībā aprakstītu gaismas staru.

Parastie optiskie elementi maina gaismas fāzi un polarizāciju, izlaižot to caur dažāda biezuma materiālu. Rūpīgi jāmēra biezumi, precīzi jāizgriež izliekumi, lai izvairītos no kļūdām un defektiem. Antenas bloks spēj sasniegt to pašu, tieši iestatot vēlamo gaismas polarizāciju, amplitūdu un fāzi katrā telpas punktā, it kā stars tikko būtu izgājis cauri objektīvam. Tādā veidā vilnis tiek veidots pa pikseļiem gandrīz digitāli.

Attālumā, kas ir mazāks par viļņa garumu virs masīva, jaunais stars jau ir pilnībā izveidots. Šis izrāviens, bez šaubām, ir devis mums kompaktāko optiku, kādu pasaule jebkad ir redzējusi. Gaidāmajā IEEE rakstā pētnieki apkopo savus atklājumus. Viņi pārskata zinātni par savu jauno, uz antenu balstīto metamateriālu un informē mūs par progresu, ko viņi ir panākuši, aizstājot parasto optiku ar šīm plakanajām alternatīvām.

Kas tas ir: Optikas klase lielākoties bez kropļojumiem, kas ir raksturīgi to parastajiem līdziniekiem, kurus ir viegli izgatavot, izmantojot vispāratzītas drukāšanas metodes, un būtībā tā ir divdimensiju.

Kas tas nav: Šīs antenas nav plaši noderīgas, lai tiktu galā ar redzamiem gaismas viļņu garumiem. Šie komponenti arī neuztur polarizāciju, jo dažādi viļņa aspekti (polarizācija, fāze, amplitūda) tiek manipulēti kopā, kas ierobežo pielietojumu. Vēl viena problēma ir neefektivitāte, kas saistīta ar to paļaušanos uz izkliedes mehānismu.

Bet pat ar šādiem ierobežojumiem, kā liecina iepriekš minētie piemēri, ir pietiekami daudz iemesla satrauktiem.

paslēpties