Терагерцевый (ТГц) диапазон электромагнитного спектра открывает огромные перспективы для технологий следующего поколения, включая высокоскоростную беспроводную связь, усовершенствованное шифрование и медицинскую визуализацию. Однако управление ТГц-волнами долгое время было технической проблемой, поскольку эти частоты слабо взаимодействуют с большинством природных материалов.
За последние два десятилетия исследователи всё чаще обращаются к метаповерхностям для решения этой проблемы. Это ультратонкие материалы, специально разработанные для демонстрации специализированных свойств, обеспечивающих беспрецедентный контроль над ТГц-волнами.
В идеале метаповерхности для применения в ТГц-диапазоне в шифровании и голографии должны быть легко настраиваемыми, с регулируемым откликом, которым можно управлять извне. Несмотря на это, настраиваемые системы метаповерхностей часто полагаются на громоздкие или энергонеэффективные методы, такие как внешнее тепловое управление.
Кроме того, голографическая информация, содержащаяся в метаповерхностях, обычно фиксируется с помощью медленных систем ближнего поля, что препятствует работе в реальном времени. Эти ограничения затруднили разработку практических ТГц-голографических устройств для динамических дисплеев и обратимого шифрования.
На этом фоне исследовательская группа, включая доктора Лин Чэнь и профессора Данъюань Лэй из Шанхайского университета науки и технологий и Городского университета Гонконга, разработала новую электрически настраиваемую метаповерхность для ТГц-голографических устройств.
Их работа, опубликованная в журнале Advanced Photonics, использовала инновационный дизайн, используя уникальные свойства диоксида ванадия (VO₂) таким образом, чтобы минимизировать потребление энергии и время отклика.
В отличие от большинства оксидов переходных металлов, VO₂ демонстрирует обратимый переход от изолятора к металлу при низкой температуре 68 °C. Этот переход позволяет динамически модулировать «прозрачность» материала для ТГц-волн.
Для достижения этого исследователи использовали конструкцию в виде микролестницы, где поручни лестницы представляют собой проводящие золотые проволоки, а ступени лестницы содержат небольшие зазоры из VO₂.
Когда внешний ток пропускается через провода данного лестничного блока, локальные изменения температуры, вызванные резистивным нагревом, приводят к быстрому переходу VO₂ от изолятора к металлу, обеспечивая быстрый и энергоэффективный способ модуляции отклика лестничного блока в ТГц-диапазоне.
После экспериментальной проверки конструкции и настраиваемости своей микролестничной метаповерхности исследователи продемонстрировали её использование в голографии и шифровании.
Используя комбинацию динамических пикселей (с VO₂) и статических пикселей (без VO₂), они показали, как символ можно голографически закодировать в метаповерхности. Единственный способ считать закодированный символ — это подать на метаповерхность необходимый ток и одновременно наблюдать, как она пропускает ТГц-волны. Для считывания этих ТГц-изображений на высокой скорости исследователи использовали систему визуализации ТГц-изображений на фокальной плоскости.
Исследовательская группа подчеркнула надёжность своей метаповерхности с точки зрения её долговечности и воспроизводимости. Качество изображения оставалось стабильным после десятков часов работы, а производительность практически не менялась при небольших изменениях расстояния в установке для визуализации.
Скорость также была ключевым преимуществом. «С нашей микролестничной метаповерхностью время динамического отклика для переключения голографических изображений составляет около 4,5 секунд в эксперименте, а для полностью динамических конфигураций пикселей оно ещё быстрее, иногда всего две секунды», — пояснил Чэнь.
Термодинамический анализ показал, что предложенная метаповерхность может полностью менять фазу менее чем за три секунды, при этом экспериментальное время переключения соответствует такой высокой производительности.
В целом, это исследование предлагает ценные сведения о конструкции, которые могут способствовать развитию настраиваемых терагерцевых (ТГц) метаповерхностей. Структура микролестницы в сочетании с системой визуализации ТГц-изображений на фокальной плоскости обеспечивает ряд преимуществ: она легко интегрируется с электронными системами, потребляет очень мало энергии (около 0,8 Вт), поддерживает активную модуляцию и обеспечивает работу в реальном времени.
Команда Городского университета Гонконга и Creator Electronic Limited планирует продолжить исследования и разработки в области электрически управляемых ТГц-технологий. Будущая работа будет сосредоточена на улучшении тепловых характеристик и обеспечении контроля на уровне отдельных пикселей — ключевых шагов на пути к раскрытию всего потенциала настраиваемых ТГц-метаповерхностей.