据麦姆斯咨询报道，美国麻省理工学院（MIT）的研究人员近日发表了一种可调谐超表面（一种具有纳米结构的平面光学元件）的重要新进展。他们打了一个形象的比喻，过去的平面光学元件就像普通水果刀，而他们开发的可调谐超表面就像一把多功能的瑞士军刀。这项研究成果的关键是研究小组开发了一种透明材料，它可以响应热量快速可逆地改变其原子结构。
这项最新进展已经发表于最近一期的Nature Nanotechnology期刊，论文第一作者Yifei Zhang表示：“通过快速重新配置超表面所开辟的应用具有巨大的想象空间。我们的研究攻克了多项将其实际应用的障碍，为此我们感到非常兴奋。”Yifei Zhang是MIT材料科学与工程系（DMSE）的研究生。
西雅图华盛顿大学副教授Arka Majumdar虽然没有参与这项研究，不过他评价称：“可以预见，这项技术有望彻底革新自动驾驶应用的光学神经网络、深度感知和激光雷达（LiDAR）技术。”
电开关
在论文中，MIT研究人员介绍了利用电流可逆地改变材料结构，从而改变新型超表面的光学特性。过去，研究人员需要利用大型激光器或热炉来提供必要的热量。“这一点很重要，因为我们现在可以将整个有源光学器件和电流开关集成到一颗硅芯片上，形成一个微型光学平台。”该研究负责人、DMSE副教授Juejun Hu说。
MIT研究人员开发的集成在硅芯片上并可以利用电流激活的新型超表面，具有约10万纳米级结构的图案化平面光学元件。
该团队还利用该平台展示了一系列可调谐光学功能。其中包括一种光束转向功能，通过对材料切换不同的（内部）结构，可以在两个方向之间来回扫描光束。光束转向是自动驾驶环境感知的关键，不过研究人员表示，这种光束转向功能还相当初级，仍处于原理验证阶段。
新材料
相变材料（PCM）会响应热变化而改变其结构，它们已经在商业上用于可重写CD和DVD。Hu解释称：“激光束可以局部改变超材料的结构，使其从非晶态转变为晶态，这种变化可以用来编码1和0，从而实现数字化信息。”
不过，传统相变材料的光学应用存在局限性。一方面，它们并不是透明的，无法投射光。这推动研究人员开发了一种可用于光学元件的透明相变材料。今年早些时候，Hu及其研究小组报道称，在传统相变材料中添加元素硒可以解决这一问题。
这种由锗、硒、锑和碲（GSST）组成的材料是开发新型超表面的关键。当然，这种超表面并不仅仅是一层GSST薄膜，它在约0.5平方毫米区域内具有约10万个图案化的纳米级结构。这使其可以控制光的传播。Hu表示：“由此，我们可以将这些纳米结构整合为透镜等光学元件。”
牛津大学Harish Bhaskaran教授没有参与这项研究，但他对整个研究工作以及新报道的进展评价称：“这是一个非常重要的研究方向，这类可调谐超表面尽管是“平面”（或名义上是平面的）或非常薄的，但可以调节光的反射，这非常有意义。它们可以显著缩小那些用于光操纵的透镜的体积。MIT研究人员利用低损耗的相变材料为实现这一目标提供了一条有效途径。他们也是第一批展示利用电控制加热进行这种动态调谐的研究人员。”
根据同一期Nature Nanotechnology中一篇关于该领域研究进展的评论文章，“这项研究在基于相变材料的可调谐超表面方向取得了突破，不过其方案仍存在缺点。”
Hu的研究团队正在朝着这些问题研究解决方案。例如，他们的微型光学平台中使用的加热器目前是由金属制成的。但是金属对于光学器件来说是有问题的，因为它们会吸收光，Hu表示他们正在研制一种新型的透明硅加热器。
Hu总结称，这项研究特别令人兴奋，因为他们首先发现了一种新材料，然后利用这种新材料设计了一种新应用，完成了从材料创新到器件集成的完整突破。
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《激光雷达产业及核心元器件-2020版》
