Inženýři vytvořili vícevrstvé metaly, které zaměřují několik vlnových délek. Konstrukce by mohla revolucionizovat přenosná optická zařízení.
Vědci zavedli nový způsob, jak vytvořit vícebarevné čočky, které by mohly připravit cestu pro generaci kompaktní, levné a vysoce výkonné optiky pro přenosné technologie, jako jsou drony a chytré telefony.
Podle pana Joshua Jordaana, hlavní autor studie z výzkumné školy fyziky na Australská národní univerzita a ARC Centrum excelence pro transformační metaoptické systémy (TMOS), design využívá skládané vrstvy Metamateriály. Tyto vrstvy umožňují zaostřit více vlnových délek z nepolarizovaného světelného zdroje přes široký průměr a oslovují jednu z hlavních nevýhod tradičních metalů.
„Náš design má mnoho pěkných funkcí, díky nimž je použitelný na praktická zařízení.“
„Je snadné vyrábět, protože má nízký poměr stran a každá vrstva může být vyrobena jednotlivě a poté zabalena dohromady, je také necitlivá polarizace a je potenciálně škálovatelná prostřednictvím zralých polovodičových nanofabrikačních platforem,“ řekl Jordaan.
Projekt vedli vědci z Friedrich Schiller University Jena v Německu v rámci mezinárodní skupiny pro výzkum meta-aktivní. Příspěvek hlásil, že jejich návrh byl nedávno publikován v Optics Express.
Překonání limitů jednovrstvy
Metaly jsou jen nepatrnou zlomkem šířky vlasů, což z nich činí mnohem tenčí než tradiční čočky. Mohou být také zkonstruovány s funkcemi, jako jsou ohniskové délky, které by byly nedosažitelné pomocí standardních optických vzorů.
Pan Joshua Jordaan vysvětlil, že tým se poprvé pokusil soustředit několik vlnových délek pomocí pouze jedné vrstvy, ale tento přístup rychle narazil na základní fyzická omezení.
„Ukázalo se, že maximální zpoždění skupiny dosažitelné v jednovrstvé metasurface má fyzická omezení, a ty zase stanoví horní hranice produktu numerické clony, fyzického průměru a provozní šířky pásma.“
„K práci v rozsahu vlnové délky, který jsme potřebovali, by jedna vrstva musela buď mít velmi malý průměr, který by porazil účel designu, nebo v podstatě měl tak nízkou numerickou otvoru, že téměř zaostává světlo,“ řekl.
„Uvědomili jsme si, že potřebujeme složitější strukturu, která pak vedla k vícevrstvému přístupu.“
Multivrstvý průlom designu
Jakmile se vědci přesunuli na design s více vrstvami metalů, vyřešili výzvu pomocí inverzního algoritmu designu, který se spoléhal na optimalizaci tvaru. Tento přístup umožnil vysokou míru flexibility prostřednictvím rozsáhlé parametrizace.
Nasměrovali algoritmus, aby identifikoval geometrie metasurface, které by při jedné vlnové délce generovaly rezonance jak v elektrických i magnetických dipólech, známých jako Huygens Rezonance. Využitím těchto rezonancí tým postupoval nad dřívější úsilí jiných skupin a produkoval návrhy kovů, které byly necitlivé na polarizaci a tolerantnější vůči změnám v výrobě – zásadní krok k škálování výroby pro průmyslové použití.
Neočekávané tvary a aplikace
Optimalizační rutina přišla s knihovnou metamateriálních prvků v překvapivém rozsahu tvarů, jako jsou zaoblené čtverce, jetele se čtyřmi listy a vrtule.
Tyto drobné tvary, asi 300 nm vysokých a 1000 nm širokých, překlenuly celou škálu fázových posunů, od nuly na dva PI, což umožnilo týmu vytvořit mapu fázového gradientu k dosažení jakéhokoli libovolného zaostřovacího vzoru – ačkoli zpočátku se zaměřily na jednoduchou prstencovou strukturu konvenčních čoček.
„Mohli bychom například zaměřit různé vlnové délky do různých míst, abychom vytvořili barevný router,“ řekl Jordaan.
Multilážkový přístup je však omezen na maximálně přibližně pět různých vlnových délek, řekl Jordaan.
„Problém je, že potřebujete struktury dostatečně velké, aby byly rezonanční při nejdelší vlnové délce, aniž by došlo k difrakci z kratších vlnových délek,“ řekl.
Budoucí použití pro zobrazování
V rámci těchto omezení pan Jordaan uvedl, že schopnost, aby se kovoly, aby shromáždily hodně světla, bude přínosem pro budoucí přenosné zobrazovací systémy.
„Metaly, které jsme navrhli, by byly ideální pro satelity s drony nebo poslechem, protože jsme se pokusili být co nejmenší a nejsvětlejší,“ řekl.
Reference: „Návrh metasurfací vícevrstvých Huygenů pro velkou vlnovou délku a polarizaci- necitlivé kovové stánce“ od Joshua Jordaan, Isabelle Staude, Dragomir Neshev a Alexander E. Minovich, 10. srpna 2025,, 10. srpna 2025, 10. srpna 2025, 10. srpna 2025, 10. srpna 2025 Optics Express.
Dva: 10.1364/OE.564328
Financování: Australská rada pro výzkum
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
