Neue Studie: nanoskalige Metafläche revolutioniert optische Lichttechnik für zukünftige drahtlose Kommunikation

BerlinIngenieure am Caltech haben ein neues Metamaterial entwickelt. Dieses kompakte Gerät kann die Frequenz von Licht steuern und verändern. Es könnte zu schnelleren und leistungsfähigeren drahtlosen Kommunikationskanälen führen als die heutige Wi-Fi-Technologie.

Schlüsselpunkte:

• Metaflächen sind winzige, speziell gestaltete Schichten, die Licht manipulieren.
• Diese Geräte können optisches Licht lenken und mehrere Kanäle bei unterschiedlichen Frequenzen erzeugen.
• Die neue Technologie verwendet eine elektrisch abstimmbare Nanoantenne.
• Mögliche Anwendungen umfassen Hochgeschwindigkeitskommunikation und Weltraummissionen.

Wi-Fi hat eine begrenzte Bandbreite aufgrund der Verwendung von Funkfrequenzen. Im Gegensatz dazu bieten optische Frequenzen eine deutlich größere Bandbreite. Traditionelle Methoden haben jedoch Schwierigkeiten, Licht bei diesen höheren Frequenzen effizient zu nutzen. Das Gerät von Caltech löst dieses Problem und arbeitet effektiv bei 1.530 Nanometern, den gleichen optischen Frequenzen wie in der Telekommunikation.

Kameralinsen sind oft groß und schwer. Metaflächen hingegen sind dünn und bestehen aus winzigen Antennen. Diese Antennen können das Verhalten von Licht ändern, zum Beispiel es beugen oder reflektieren.

Frühere Metamaterial-Geräte waren nach ihrer Herstellung unveränderlich. Das neue Gerät hingegen lässt sich durch Anwendung unterschiedlicher Spannungen an seinen Antennen anpassen, was es viel flexibler und anpassungsfähiger macht.

Das Gerät verwendet eine darunterliegende Schicht aus Indium-Zinn-Oxid, um flexibel zu sein. Durch die Anpassung der Spannung ändert sich die Elektronendichte in dieser Schicht. Dies führt zu einer Veränderung des Brechungsindexes jeder Antenne. So kann das Gerät in Echtzeit reflektiertes Licht in verschiedenen Winkeln und Frequenzen steuern.

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Diese Technologie ermöglicht es einem einzelnen Laser, mehrere neue Frequenzen zu erzeugen. Jede dieser Frequenzen kann für schnelle Kommunikation genutzt werden. Die Fähigkeit, die Richtung und Frequenz des Lichts zu steuern, wird als "Raum-Zeit"-Eigenschaft dieser Metafläche bezeichnet.

Metamaterialien bieten zahlreiche spannende Anwendungsmöglichkeiten. Sie könnten die 3D-Bildgebung in LiDAR-Systemen verbessern und die Qualität der drahtlosen Kommunikation an stark frequentierten Orten wie Cafés erhöhen. Darüber hinaus könnten sie bei Weltraummissionen nützlich sein, um große Datenmengen zu übertragen, da Licht mehr Daten als Radiowellen transportieren kann.

Das Forscherteam, dem auch die Doktoranden Prachi Thureja und Jared Sisler aus Atwaters Gruppe angehören, hat seine Arbeit in Nature Nanotechnology veröffentlicht. Ihre Forschung wurde durch Zuschüsse von Organisationen wie dem Air Force Office of Scientific Research und DARPA unterstützt.

Das Hauptziel besteht darin, eine universelle Metafläche zu entwickeln. Dieses Gerät würde mehrere optische Kanäle erzeugen, von denen jeder unterschiedliche Daten überträgt und die Informationen in verschiedene Richtungen sendet. Wenn es gelingt, könnte es die Nutzung der drahtlosen Kommunikation revolutionieren.

Institutionen wie das JPL arbeiten ebenfalls mit uns zusammen. Dabei untersuchen sie, wie optische Frequenzen für Weltraummissionen genutzt werden können und demonstrieren die Nützlichkeit dieser Technologie.

Der Fortschritt bei den Metamaterialien verspricht eine vielversprechende Zukunft für die drahtlose Kommunikation und Datenübertragung.