這是我們很多人都熟悉的場景：你在當地的咖啡店里用筆記本電腦工作，周圍可能有六七個其他筆記本電腦用戶——你們每個人都在嘗試加載網站或播放高清視頻，所有人都渴望更多的帶寬。現在想象一下，你們每個人都有一個專用的通信信道，它比我們今天使用的 Wi-Fi 快數百倍，帶寬也大數百倍。由于超表面(可以以所需的方式反射和引導光線的微型工程薄片)的發展，這個夢想可能并不遙遠。

在今天發表在《自然納米技術》雜志上的一篇論文中，加州理工學院的一組工程師報告了他們構建這樣一種超表面，這種超表面帶有微型可調天線，能夠反射入射的光束，從而創建許多不同光頻率的邊帶或通道。

“通過這些超表面，我們能夠顯示一束光進入，多束光出去，每束光具有不同的光頻率并朝不同的方向傳播，”工程與應用科學部奧蒂斯·布斯領導主席、應用物理與材料科學霍華德·休斯教授、新論文的資深作者哈里·阿特沃特 (Harry Atwater) 說道。“它就像一整套通信信道。我們已經找到了一種方法來處理自由空間信號，而不是光纖上傳輸的信號。”

這項工作不僅為開發新型通信信道指明了一條有希望的路線，而且也為開發新的測距技術指明了方向，甚至為向太空傳輸大量數據指明了新方法。

超越傳統光學元件

新論文的共同第一作者、Atwater 團隊的研究生 Prachi Thureja 表示，要理解他們的工作，首先要考慮“超表面”這個詞。詞根“meta”來自希臘語前綴，意為“超越”。超表面的設計超越了我們用傳統笨重光學元件(如照相機或顯微鏡鏡頭)所能做的事情。這種多層晶體管類器件采用精心挑選的納米天線圖案設計，可以反射、散射或以其他方式控制光線。這些扁平器件可以像透鏡一樣聚焦光線，也可以像鏡子一樣反射光線，方法是通過策略性地設計一組納米級元件來改變光線的響應方式。

之前對超表面的大量研究都集中在創建具有單一光導功能的被動設備，這些設備在時間上是固定的。相比之下，阿特沃特的團隊專注于所謂的主動超表面。“現在我們可以對這些設備施加外部刺激，例如不同電壓的陣列，并在不同的被動功能之間進行調整，”阿特沃特實驗室的研究生兼論文共同第一作者賈里德·西斯勒說。

在最新的研究中，該團隊描述了一種他們所謂的時空超表面，它可以在特定方向和特定頻率(時間函數，因為頻率定義為每秒通過一個點的波數)反射光。這種超表面設備的核心只有 120 微米寬和 120 微米長，在通常用于電信的光頻率下以反射模式運行，具體來說是 1,530 納米。這比電頻率高出數千倍，這意味著可用的帶寬要大得多。

在電頻率下，電子設備可以輕松地將光束引導到不同的方向。這通常是由飛機上使用的雷達導航設備實現的。但目前還沒有電子設備可以在更高的光頻率下做到這一點。因此，研究人員不得不嘗試一些不同的東西，即改變天線本身的屬性。

Sisler 和 Thureja 創造了由金天線組成的超表面，底層是一層可電調諧的氧化銦錫半導體層。通過在設備上施加已知的電壓分布，他們可以局部調節每個天線下方半導體層中的電子密度，從而改變其折射率(材料的光彎曲能力)。“通過在設備上設置不同電壓的空間配置，我們可以實時將反射光重定向到指定的角度，而無需更換任何笨重的組件，”Thureja 說。

“我們讓入射激光以特定頻率撞擊超表面，然后利用高頻電壓信號及時調制天線。這會產生多個新頻率或邊帶，它們由入射激光攜帶，可用作發送信息的高數據速率通道。除此之外，我們仍然擁有空間控制權，這意味著我們可以選擇每個通道在空間中的去向，”西斯勒解釋說。“我們正在生成頻率并在空間中縱它們。這就是這個超表面的時空組成部分。”

展望未來

除了證明這種超表面能夠在自由空間(而不是光纖)中分裂和重定向光頻率的光之外，該團隊還表示，這項研究還指向了幾種可能的應用。這些超表面可能在激光雷達(相當于雷達的光)應用中很有用，其中光用于捕獲三維場景的深度信息。最終的夢想是開發一種“通用超表面”，它可以創建多個光通道，每個通道在自由空間中以不同的方向傳輸信息。

“如果光學超表面成為一種可實現并廣泛應用的技術，那么十年后，你將能夠與一群其他人一起坐在星巴克使用筆記本電腦，而每個人獲得的不是射頻 Wi-Fi 信號，而是他們自己的高保真光束信號，”加州理工學院液體陽光聯盟主任阿特沃特說。“一個超表面將能夠向每個人發射不同的頻率。”

該團隊正在與 JPL 的光通信實驗室合作，該實驗室正在研究使用光頻率而不是電頻率波與太空任務進行通信，因為這將能夠以更高的頻率發送更多的數據。“這些設備非常適合他們正在做的事情，”西斯勒說。