可调超表面可以在空间和时间上控制光，为无线通信信道提供路径

这是我们许多人都熟悉的场景：你在当地的咖啡馆用笔记本电脑工作，可能还有六个其他笔记本电脑用户——你们每个人都在试图加载网站或流式传输高清视频，而所有人都渴望更多的带宽

现在想象一下，你们每个人都有一个专用的无线信道进行通信，比我们今天使用的Wi-Fi快数百倍，带宽高出数百倍。由于超表面的发展，这个梦想可能并不遥远——超表面是一种微小的工程片材，可以以所需的方式反射和引导光线

在《自然纳米技术》杂志上发表的一篇题为“光学频率下的电可调时空超表面”的论文中，加州理工学院的一个工程师团队报告称，他们建造了一个带有微型可调天线的超表面，这些天线能够反射入射的光束，从而产生许多不同光学频率的边带或通道

“通过这些超表面，我们已经能够证明一束光进来，多束光出去，每束光都有不同的光学频率和不同的方向，”Harry Atwater说，他是工程与应用科学系Otis Booth领导主席，霍华德休斯应用物理与材料科学教授，也是这篇新论文的资深作者

“它就像一个完整的通信信道阵列。我们已经找到了一种方法，可以为自由空间信号而不是光纤上携带的信号做到这一点。”

这项工作为开发一种有前景的路线指明了方向，不仅可以开发一种新型的无线通信信道，还可以开发潜在的新测距技术，甚至是一种向太空中继大量数据的新方法

超越传统光学元件

这篇新论文的共同主要作者、阿特沃特小组的研究生Prachi Thureja说，要理解他们的工作，首先要考虑“metasurface”这个词。词根“meta”来自希腊语前缀，意思是“超越”。

metasurface旨在超越我们对传统笨重光学元件（如相机或显微镜镜头）的处理能力。多层晶体管类器件采用精心挑选的纳米级天线图案设计，可以反射、散射或以其他方式控制光

这些平面设备可以像透镜一样聚焦光线，也可以像镜子一样反射光线，通过战略性地设计一系列纳米级元件来改变光线的反应方式

之前关于元曲面的许多工作都集中在创建具有固定时间的单一光引导功能的被动设备上。相比之下，阿特沃特的团队专注于所谓的活性超表面

“现在我们可以对这些设备施加外部刺激，例如一系列不同的电压，并在不同的被动功能之间进行调整，”Jared Sisler说，他也是Atwater实验室的研究生，也是该论文的共同主要作者

在最新的工作中，该团队描述了他们所谓的时空元表面，它可以在特定方向和特定频率（时间的函数，因为频率被定义为每秒通过一点的波的数量）反射光

这种超表面器件的核心只有120微米宽和120微米长，在通常用于电信的光学频率下以反射模式运行，特别是在1530纳米处。这比无线电频率高出数千倍，这意味着有更多的可用带宽

在无线电频率下，电子设备可以很容易地将光束转向不同的方向。这通常由飞机上使用的雷达导航设备完成。但目前还没有电子设备可以在更高的光学频率下做到这一点。因此，研究人员不得不尝试一些不同的方法，即改变天线本身的特性

Sisler和Thureja创造了他们的超表面，由金天线组成，下面有一层电可调的氧化铟锡半导体层。通过在器件上施加已知的电压分布，它们可以局部调制每个天线下方半导体层中的电子密度，从而改变其折射率（材料的光弯曲能力）

Thureja说：“通过在设备上设置不同电压的空间配置，我们可以实时将反射光重新定向到指定的角度，而无需更换任何笨重的组件。”

“我们有一个入射激光以一定的频率击中我们的超表面，我们用高频电压信号及时调制天线。这会产生多个新的频率或边带，由入射激光携带，可以用作发送信息的高数据速率通道。除此之外，我们仍然有空间控制，这意味着我们可以选择每个通道在空间中的位置，”Sisler解释道

“我们正在产生频率并在空间中引导它们。这就是这个元表面的时空成分。”

展望未来

除了证明这种元表面能够在自由空间（而不是光纤）中以光学频率分裂和重定向光之外，该团队表示，这项工作还指出了几个可能的应用

这些元曲面在激光雷达应用中可能很有用，激光雷达是雷达的光等效物，其中光用于从三维场景中捕获深度信息。最终的梦想是开发一种“通用超表面”，可以创建多个光通道，每个光通道在自由空间中以不同的方向携带信息

阿特沃特说：“如果光学超表面成为一种可实现的技术，并且这种技术激增，十年后，你就可以和一群人坐在星巴克的笔记本电脑上，而不是每个人都能得到射频Wi-Fi信号，他们将得到自己的高保真光束信号。”阿特沃特也是加州理工学院液体阳光联盟的主任

“一个超表面将能够向每个人发射不同的频率。”

该小组正在与喷气推进实验室的光通信实验室合作，该实验室正在研究使用光频率而不是射频波与太空任务进行通信，因为这将使能够以更高的频率发送更多的数据。Sisler说：“这些设备非常适合他们正在做的事情。” More information: Jared Sisler et al, Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01728-9

Journal information: Nature Nanotechnology