物理学者は明確な可変焦点でメタレンを作りました

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ビデオ: 物理 電磁気04 ローレンツ力を受けたらせん運動、ホール効果 2022, 12月
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科学者たちは、焦点距離が1、5、2ミリメートルの間で切り替え可能な赤外線金属レンズを発明しました。切り替えは、書き換え可能なCDの動作と同様に、メタ原子の物質の結晶状態とアモルファス状態の間の遷移によって提供されます。このレンズのコントラスト比は29デシベルで、他の調整可能な金属レンズではこれまで実証されていなかった光学歪みはごくわずかです。この記事はNatureCommunicationsに掲載されました。

従来のレンズは、その表面の形状により光線を偏向させます。対照的に、金属レンズは光の波動特性を使用し、材料本体に組み込まれた小型アンテナを使用して光線の軌道を変更します。従来のレンズで作られたレンズは、ガラスや鏡の研磨を根本的に単純化する方法がないため、複雑で高価な機械装置です。さらに、高品質のレンズは1つのレンズしか使用できないため、複数のレンズのセットがレンズに配置され、デバイスのサイズがさらに大きくなります。

次に、金属レンズは数十ミクロン以内の厚さを持っているため、この欠点がない可能性がありますが、標準的な回折限界を克服できるなど、多くの利点があります。さらに、従来のレンズがレンズ間の距離を変えることによって制御される場合、金属レンズではレンズを動かす必要はありません。表面の光学特性を局所的に変えるだけで十分です。これはガラスを曲げるのと同じように機能します。レンズまたは金属ミラー。そのため、2017年に科学者たちは基板材料の相転移によって焦点距離を変える金属レンズを作りましたが、このレンズの焦点ははっきりしていませんでした。

マサチューセッツ工科大学のMikhailShalaginovが率いる研究者チームは、1、5、2ミリメートルの可変焦点距離と、高い焦点品質を備えたレンズを発表しました。物理学者は、波長5ミクロンの赤外線範囲で動作する実験用メタアトムを製造するために、ゲルマニウム、アンチモン、セレン、テルルの化合物(GSST、Ge2Sb2Se4Te1)を選択しました。この材料は、書き換え可能なCDで広く使用されているGeSbTeカルコゲニドガラスに似ています。これは、この材料の結晶形とアモルファス形の間の遷移により、ドライブのレーザーによって読み取られる光学特性が劇的に変化するためです。

理想的なレンズでは、中心から端に移動すると、各ポイントの光は滑らかに増加する角度で偏向されます。これは、波の間の位相シフトの変化の無限スペクトルに対応し、ゼロから2πまでです。これを直接達成するには、無限の数のナノアンテナのバリエーションが必要になります。同時に、それらのそれぞれの開発には複雑な計算が必要であるため、科学者はタスクを単純化し、シフトが半πのステップで離散的に変化する単純化された理想を設定しました。

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レンズの完璧で簡素化された理想的な位相プロファイル

科学者は、レンズのすべての点で、各ナノアンテナが両方の物質の状態で単純化された理想に従って機能することを確認する必要がありました。異なる状態の位相シフトのゾーンは互いに衝突するため、42 = 16の固有のゾーンの組み合わせがあり、それぞれが1つのアンテナ設計に対応している必要があります。

次に、研究者たちは、物理シミュレーターでメタ原子のさまざまなバリエーションを生成しました。これは、詳細の比率が異なる「+」、「H」、「I」の形状に似ています。単純化された理想に最適な16個を選択するために、著者は合成Qファクターを導入し、その式を開発しました。その計算は、物理シミュレーションよりもはるかに簡単です。

その結果、科学者たちはフッ化カルシウム基板上に選択されたメタ原子を形成し、電子ビームで過剰なGSSTを蒸発させました。赤外線レーザーを使用した金属レンズのテスト中に、そのストレール数が0、99に近づくことが判明しました。これは、わずかな量の光学歪みを示しています。次に、研究者は、アモルファスと結晶の形で、それぞれ1、5、2ミリメートルで集束品質をテストしました。

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集束効率の実証

そのコントラスト比は29デシベルであることが判明しました。これは、再構成可能なメタレンの記録です。わかりやすくするために、著者は彼らの助けを借りていくつかの顕微鏡画像を作成しました。実験の過程で、物質の結晶状態とアモルファス状態の間の遷移に炉内加熱が使用されましたが、将来的にはレンズにマイクロヒーターを配置する予定です。さらに、集束品質を向上させることができます。簡略化された位相シフトのステップを減らします。

以前、シャラギノフのグループは1つのレンズから平らな魚眼レンズを作ることができ、ミシガン大学の科学者は彼らと一緒に光を任意の形のスポットに集束させることを学びました。

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