美國學科學家構建出「時空元表面」，可用於開發新型無線通訊通道

7 月 29 日訊息，加州理工學院團隊構建出了一種奈米級裝置，上面布滿微型可調天線，能夠將一束入射光反射成多束光，且每束光都有不同的頻率並能夠朝著不同的方向傳播。

據介紹，這種「光頻率下的電可調時空元表面（Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies）」可同時控制和改變光的頻率，能夠為未來的無線通訊通道指明方向。相關成果已經發表在【自然：奈米技術】上（附 DOI：10.1038/s41565-024-01728-9）。

▲圖片來源：加州理工學院

如圖所示，入射雷射束（綠色）撞擊這種新型「時空元表面」並經過可調奈米結構天線的調變，可產生不同頻率的可控光束（藍色），可用作在地球或太空傳輸數據的光通道。

「透過這些元表面，我們已經能夠證明，一束光進來，多束光出去，每束光都有不同的光頻率並朝不同方向傳播，」工程與套用科學系奧蒂斯布思領導主席、霍華德休斯套用物理學和材料科學教授、論文高級作者哈裏艾特瓦特說，「它就像是一個完整的通訊通道陣列。我們找到了在自由空間訊號而不是光纖上傳輸訊號的方法。」

這項工作不僅為開發新型無線通訊通道指出了一條充滿可行性的道路，而且還可能為開發新的測距技術，甚至是一種將更多數據傳輸到太空和從太空傳輸數據的新方法指明了方向。

要理解這項工作，首先要考慮「元表面（metasurface）」這個詞。「元（meta）」這個詞源自希臘語字首，意為「超越」。

「元表面」旨在超越傳統光學元件（如相機或顯微鏡鏡頭）的能力，這種多層晶體管式裝置采用了精心挑選的奈米天線圖案設計，可以反射、散射或以其他方式控制光線。這些平面裝置可以透過戰略性地設計一系列能夠影響光響應方式的奈米元素來聚焦光線（類似於鏡頭）或反射光線（類似於鏡子）。

據介紹，這種被稱為「時空元表面」的東西可以以特定的方向和特定的頻率反射光（頻率定義為每秒透過一個點的波數）。這種裝置的核心僅有 120 微米長寬，在反射模式下工作於通常用於電信的光學頻率（具體為 1530 奈米），比無線電頻率高出數千倍，這意味著將帶來更多的可用頻寬。

在無線電頻率下，電子裝置可以輕松地將光束轉向不同方向，例如飛機上使用的雷達導航裝置就可以實作這一點，但目前還沒有電子裝置可以在更高的光學頻率下做到這一點。因此，研究人員不得不嘗試不同的方法，即改變天線本身的特性。

西斯勒和圖雷賈以某種方式開發出了這種由金天線組成的「元表面」，下面有一層可電調諧的氧化銦錫半導體層，可透過在整個裝置上施加已知的電壓分布對每個天線下方半導體層中的電子密度實作局部調節，從而改變其折射率（材料的折光能力）。

圖雷賈表示，「透過在整個裝置上具有不同電壓的空間配置，我們可以即時以指定角度重新導向反射光，而無需更換任何笨重的元件。」

「我們讓一束入射雷射以一定頻率撞擊我們的元表面，然後用高頻電壓訊號及時調變天線訊號，從而產生了多個由入射雷射攜帶的新頻率或邊帶，可用於作為發送資訊的高數據速率通道。最重要的是，我們仍具備空間控制能力，這意味著我們可以選擇每個通道在空間中的位置，」西斯勒解釋道，「我們正在生成頻率並引導它們在空間中傳播。這就是這個元表面的時空組成部份。」

加州理工學院液體陽光聯盟的主任艾特瓦特表示，「如果光學元表面成為一種可實作並廣泛套用的技術，那麽十年後，你將能夠與一群其他人一起坐在星巴凱瑞上網，而每個人獲得的不是射頻 Wi-Fi 訊號，而是他們自己的高保真光訊號」，「一個元表面將能夠向每個人發射不同的頻率。」