La bande Terahertz (THz) du spectre électromagnétique tient une immense promesse pour les technologies de nouvelle génération, y compris la communication sans fil à grande vitesse, le chiffrement avancé et l'imagerie médicale. Cependant, la manipulation des ondes THz est depuis longtemps un défi technique, car ces fréquences interagissent faiblement avec la plupart des matériaux naturels.
Au cours des deux dernières décennies, les chercheurs se sont de plus en plus tournés vers les métasurfaces pour résoudre ce problème. Ce sont des matériaux ultrathin soigneusement conçus pour présenter des propriétés spécialisées, offrant un contrôle sans précédent sur les ondes THz.
Idéalement, les métasurfaces pour les applications THz dans le chiffrement et l'holographie doivent être facilement configurables, avec une réponse réglable qui peut être contrôlée à l'extérieur. Malgré cela, les systèmes de métasurface réglables reposent souvent sur des méthodes lourdes ou de l'énergie, telles que le contrôle thermique externe.
De plus, les informations holographiques contenues dans les métasurfaces sont généralement capturées à l'aide de systèmes de balayage à champ proche lent, ce qui entrave le véritable opération en temps réel. Ces limitations ont rendu difficile le développement de dispositifs holographiques THz pratiques pour les affichages dynamiques et le chiffrement réversible.
Dans ce contexte, une équipe de recherche, dont le Dr Lin Chen et le professeur Dangyuan Lei de l'Université de Shanghai pour la science et la technologie et la ville de l'Université de Hong Kong, a développé une nouvelle métasurface électriquement accordable pour les appareils holographiques Thz.
Leur travail, publié dans Photonique avancéea utilisé un design innovant en tirant parti des propriétés uniques du dioxyde de vanadium (VO2) d'une manière qui minimise la consommation d'énergie et le temps de réponse.
Contrairement à la plupart des oxydes de métal de transition, VO2 présente une transition réversible de l'isolant à métal à une basse température de 68 ° C. Cette transition permet de moduler dynamiquement la « transparence » du matériau aux ondes THz.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé une conception de microladines, où les mains courantes de l'échelle mènent des fils d'or et les marches d'échelle contiennent de petits VO2 Gaps.
Lorsqu'un courant externe est exécuté à travers les fils d'une unité d'échelle donnée, les changements locaux de température causés par un chauffage résistif entraînent une transition rapide d'un isolant à métal dans VO2offrant un moyen rapide et économe en énergie de moduler la réponse THz de l'unité d'échelle.
Après avoir validé expérimentalement la conception et l'accordabilité de leur métasurface de la microladitaire, les chercheurs ont démontré son utilisation dans l'holographie et le chiffrement.
Utilisation d'une combinaison de pixels dynamiques (avec VO2) et les pixels statiques (sans VO2), ils ont montré comment un personnage peut être codé holographique dans la métasurface.
La seule façon de lire le caractère codé est d'appliquer le courant nécessaire à la métasurface tout en observant comment il transmet des ondes Thz. Pour lire ces images THz à grande vitesse, les chercheurs ont utilisé un système d'imagerie du plan focal THz.
L'équipe de recherche a souligné la robustesse de leur métasurface en termes de durabilité et de réplicabilité. La qualité de l'image est restée stable après des dizaines d'heures de fonctionnement, et les performances n'ont pas été affectées par de petits changements de distance dans la configuration d'imagerie.
La vitesse était également une force clé. « Avec notre métasurface de microladine, le temps de réponse dynamique pour la commutation d'images holographiques est d'environ 4,5 secondes dans l'expérience – et pour les configurations en tout dynamique-pixel, c'est encore plus rapide, parfois aussi faible que deux secondes », a expliqué Chen.
« Ce niveau de vitesse et de robustesse ouvre la porte à des applications pratiques et de nouvelle génération comme le cryptage optique en temps réel, les communications sans fil de nouvelle génération en temps de nouvelle génération. »
L'analyse thermodynamique a révélé que la métasurface proposée peut changer complètement la phase en moins de trois secondes, les temps de commutation expérimentaux correspondant à cette performance rapide.
Dans l'ensemble, cette étude offre des informations de conception précieuses qui pourraient faire progresser le développement de métasurfaces Terahertz (THz) réglables. La structure de la microladitaire, associée à un système d'imagerie du plan focal THz, offre plusieurs avantages: il s'intègre facilement aux systèmes électroniques, consomme très peu de puissance (environ 0,8 watts), prend en charge la modulation active et permet un fonctionnement en temps réel.
De plus, l'équipe de l'Université de la ville de Hong Kong et de Creator Electronic Limited prévoit de poursuivre la recherche et le développement sur les technologies THz à contrôle électrique.
Les travaux futurs se concentreront sur l'amélioration des performances thermiques et l'activation du contrôle au niveau des pixels individuels – des pas de clé pour débloquer le plein potentiel des métasurfaces THz accordables.
