Уникальное наноустройство открывает путь к новым беспроводным каналам связи

Многим знакома эта сцена: вы работаете на ноутбуке в кофейне, как и ещё полдюжины человек вокруг. Все пытаются загрузить веб-сайты или потоковое видео высокой чёткости и нуждаются в большей пропускной способности.

Благодаря разработке метаповерхностей — крошечных инженерных листов, которые могут отражать и направлять свет — эта мечта может скоро осуществиться. Они позволят создать выделенный беспроводной канал для связи, который будет в сотни раз быстрее и иметь в сотни раз большую пропускную способность, чем Wi-Fi.

В журнале Nature Nanotechnology опубликована статья, в которой инженеры из Калифорнийского технологического института сообщают о создании метаповерхности с миниатюрными перестраиваемыми антеннами. Эти антенны могут отражать входящий пучок оптического света и создавать множество боковых полос разных оптических частот.

С помощью метаповерхностей мы показали, что один пучок света разделяется на несколько пучков с разными частотами и направлениями, — говорит Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения.

Это похоже на массив каналов связи. И нам удалось это сделать для сигналов в свободном пространстве.

Работа предлагает новый подход к созданию беспроводных каналов связи и разработке технологий определения дальности, а также способа передачи данных в космос и из космоса.

Выход за пределы традиционных оптических элементов

Соавтор работы, аспирант из группы Этуотера, говорит, что для понимания сути их исследования нужно знать значение слова «метаповерхность».

Приставка «мета» в этом слове означает „за пределами“. Метаповерхности позволяют делать то, что невозможно с помощью обычных оптических элементов, таких как объективы камер или микроскопов.

Многослойные устройства оснащены наноразмерными антеннами, которые могут управлять светом: отражать его, рассеивать или фокусировать. Расположение этих элементов определяет реакцию света — как у зеркала или линзы.

Предыдущие работы с метаповерхностями создавали пассивные устройства, которые направляли свет и не менялись со временем. Группа Этуотера работает над активными метаповерхностями. Теперь к этим устройствам можно приложить внешний стимул, например, разные напряжения, и настроить различные функции, — говорит Джаред Сислер, аспирант из лаборатории Этуотера и соавтор статьи.

Команда создала метаповерхность, которая отражает свет в определённых направлениях и на определённых частотах. Это устройство шириной и длиной всего 120 микрон работает на оптических частотах, используемых в телекоммуникациях, например, на частоте 1530 нанометров. Эти частоты в тысячи раз выше радиочастот, поэтому обеспечивают более широкую полосу пропускания.

На радиочастотах электроника легко направляет луч света в разные стороны, как это делают радарные навигационные устройства в самолётах. Но на оптических частотах такое пока невозможно. Поэтому исследователи изменили свойства антенн.

Сислер и Туреджа создали метаповерхность из золотых антенн с полупроводниковым слоем оксида индия-олова. Подавая определённое напряжение через устройство, они могут менять плотность электронов в полупроводнике под каждой антенной и тем самым изменять коэффициент преломления материала (способность изгибать свет).

Мы можем перенаправлять отражённый свет под нужными углами в реальном времени без замены громоздких деталей, — говорит Туреджа.

Мы используем лазер с определённой частотой и модулируем антенны напряжением. Это создаёт новые частоты, которые можно использовать для передачи информации. У нас также есть пространственный контроль: мы можем выбирать направление каждого канала.
Мы генерируем и направляем эти частоты — это и есть пространственно-временной компонент нашей метаповерхности, — объясняет Сислер.

Взгляд в будущее

Команда показала, что метаповерхность разделяет и перенаправляет свет на оптических частотах в свободном пространстве. Это открытие может быть полезно в приложениях LiDAR, где свет используется для получения информации о глубине трёхмерной сцены. Конечная цель — создать «универсальную метаповерхность», которая будет передавать информацию в разных направлениях.

Этуотер, директор Liquid Sunlight Alliance в Калифорнийском технологическом институте, отмечает, что если оптические метаповерхности получат широкое распространение, то через 10 лет вы сможете сидеть в Starbucks с другими людьми за ноутбуками и получать свой высокоточный сигнал светового луча вместо радиочастотного сигнала Wi-Fi. По словам Этуотера, одна метаповерхность сможет передавать сигнал разной частоты каждому человеку.

Группа сотрудничает с Лабораторией оптических коммуникаций при JPL (Лаборатория реактивного движения). Там разрабатывают системы связи с космическими аппаратами, основанные на оптических волнах вместо радиочастотных. Это позволит передавать больше данных на более высоких частотах.

Эти устройства отлично справляются со своей задачей, — заключает Сислер.

24.07.2024


Подписаться в Telegram



Нано

NatElec: Нанотранзисторы преодолеют ограничения кремниевых полупроводников
NatElec: Нанотранзисторы преодолеют ограничения кремниевых полупроводников

Кремниевые транзисторы, которые используются д...

Science: Открыт новый метод выращивания полезных квантовых точек
Science: Открыт новый метод выращивания полезных квантовых точек

Квантовые точки, или полупроводниковые на...

Nature Nanotechnology: Идет создание упрощенной формы жизни
Nature Nanotechnology: Идет создание упрощенной формы жизни

Учёные много лет пытаются понять, как&nbs

LS&A: Разработан метод синтеза наночастиц высокоэнтропийных сплавов
LS&A: Разработан метод синтеза наночастиц высокоэнтропийных сплавов

Быстрое создание наночастиц высокоэнтропийных ...

Nano Letters: Тройные стыки — залог сохранения стабильности наноматериалов
Nano Letters: Тройные стыки — залог сохранения стабильности наноматериалов

Как создать материалы, которые будут прочнее и...

Nature Nanotechnology: Нанодиски для стимуляции мозга заменят инвазивные электроды
Nature Nanotechnology: Нанодиски для стимуляции мозга заменят инвазивные электроды

Новые магнитные нанодиски разработали учёные и...

LS&A: Разработан хиральный нанокомпозит для зондирования сероводорода
LS&A: Разработан хиральный нанокомпозит для зондирования сероводорода

С развитием нанотехнологий создано много искус...

ACS Nano: Открыты светопоглощающие свойства ахиральных материалов
ACS Nano: Открыты светопоглощающие свойства ахиральных материалов

Исследователи из Университета Оттавы сдел...

ACS Nano: Искусственный паучий шелк превратят в медицинские материалы
ACS Nano: Искусственный паучий шелк превратят в медицинские материалы

Скоро Хэллоуин, пора украшать дома страшными в...

AFM: Антибактериальные поверхности из графена уничтожат 99,9% патогенов
AFM: Антибактериальные поверхности из графена уничтожат 99,9% патогенов

Графен, обладающий сильными бактерицидными сво...

Physical Review Letters: Ученые подобрались ближе к искоренению наношума
Physical Review Letters: Ученые подобрались ближе к искоренению наношума

Благодаря наноразмерным устройствам исследоват...

ACS Nano: Новое открытие улучшит дизайн микроэлектронных устройств
ACS Nano: Новое открытие улучшит дизайн микроэлектронных устройств

Как работает электроника нового поколения и&nb...

В УГНТУ разработали установку по переработке печной сажи в графен
В УГНТУ разработали установку по переработке печной сажи в графен

Установку, которая перерабатывает печную сажу&...

Science: Стало возможным массовое производство металлических нанопроводов
Science: Стало возможным массовое производство металлических нанопроводов

Новый метод выращивания крошечных металлически...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Health Communication: Как правильно общаться с людьми с диагнозом Альцгеймера
Health Communication: Как правильно общаться с людьми с диагнозом Альцгеймера
Zoolinnean: Ученые открыли новый вид геккона со сросшимися костями
Zoolinnean: Ученые открыли новый вид геккона со сросшимися костями
Phys.org: Космический мусор защитит будущие миссии на Луну и Марс от радиации
Phys.org: Космический мусор защитит будущие миссии на Луну и Марс от радиации
Current Biology: Ученые придумали, как отпугивать акул от серфингистов
Current Biology: Ученые придумали, как отпугивать акул от серфингистов
Школьники создали для музея бота-проводника по коммуналкам и книгам Булгакова
Школьники создали для музея бота-проводника по коммуналкам и книгам Булгакова
Plant Phenomics: Как технологии помогают фермерам сохранить урожай риса
Plant Phenomics: Как технологии помогают фермерам сохранить урожай риса
Мордовские ученые создали бетон нового поколения
Мордовские ученые создали бетон нового поколения
PeerJ: Выяснилось, как хищники справляются, когда остаются без зубов
PeerJ: Выяснилось, как хищники справляются, когда остаются без зубов
Челябинские ученые сделают коммунальные машины автономными
Челябинские ученые сделают коммунальные машины автономными
Исследование Т-клеток в лечении опухолей открывает новую силу иммунотерапии
Исследование Т-клеток в лечении опухолей открывает новую силу иммунотерапии
Current Biology: Анализ ДНК опроверг прежние данные о погибших в Помпеях
Current Biology: Анализ ДНК опроверг прежние данные о погибших в Помпеях
Cell: Открыт новый вероятный маркер старения организма
Cell: Открыт новый вероятный маркер старения организма
МФТИ: Линзы тоньше волоса ускорят диагностику болезней на дому
МФТИ: Линзы тоньше волоса ускорят диагностику болезней на дому
В МГУ увеличили эффективность противогрибковых препаратов в 5000 раз
В МГУ увеличили эффективность противогрибковых препаратов в 5000 раз
Искусственные рецепторы на основе ДНК коронавируса открывают новые возможности
Искусственные рецепторы на основе ДНК коронавируса открывают новые возможности

Новости компаний, релизы

Международные эксперты оценили разработанную для нижегородского завода технологию
На старт! Внимание! MITEX!
Фестиваль научных театров «Наука всем!» прошёл в Санкт-Петербурге
Пять полезных функций смартфона, про которые редко вспоминают
Школьных учителей приобщат в современной науке