在電氣工程的許多領(lǐng)域，技術(shù)進步的一個主要焦點一直是開發(fā)比當前技術(shù)水平更快、更小、更高效的設(shè)備。其中一個例子是1960 年代后期液晶顯示器 （LCD） 的發(fā)明，它徹底改變了顯示器行業(yè)，導(dǎo)致顯示器更薄、更節(jié)能。

然而，即使LCD具有許多優(yōu)點，它們?nèi)匀挥衅渚窒扌浴榱丝朔@些限制，研究人員正在研究一種叫超表面（metasurfaces）的技術(shù)作為一種有可能取代LCD的新興技術(shù)，并將超表面作為一種顯示技術(shù)。

在本文中，我們將探討這項新研究，我們將討論什么是超表面，以及為什么它們可以取代LCD。

研究人員開發(fā)超表面顯示

正如他們在《自然》雜志上的論文中所描述的那樣，研究小組開發(fā)了一種新的電可調(diào)超表面，可以跨多個像素進行編程。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員使用了一種新技術(shù)來實現(xiàn)超表面的電可調(diào)性，該技術(shù)利用了硅的大熱光學(xué)效應(yīng)。

具體來說，該團隊開發(fā)了一種基于硅熱光學(xué)效應(yīng)的CMOS兼容方法，使用由小于5 V的偏置電壓驅(qū)動的局部透明加熱器來控制硅空穴陣列超表面的光學(xué)特性。加熱導(dǎo)致硅折射率的變化，從而導(dǎo)致超表面共振的變化，導(dǎo)致共振波長處的透明度突然變化。

由此產(chǎn)生的器件在傳輸狀態(tài)下工作，具有低光損耗、低輸入電壓要求，并以高于視頻速率的開關(guān)速度運行。值得注意的是，通過施加不對稱驅(qū)動電壓，研究人員實現(xiàn)了急驟加熱( flash heating )，并觀察到625μs的調(diào)制時間，比人眼的檢測極限快十倍以上。

什么是超表面？

超表面是由亞波長元素組成的二維陣列，可操縱光以產(chǎn)生所需的效果。

這些亞波長元素通常小于它們相互作用的光的波長，并且可以設(shè)計它們來改變通過它們的光的性質(zhì)。例如，這些陣列的一個主要應(yīng)用是選擇性地傳輸或反射入射光以將其聚焦并以所需方式控制。?

超表面的一些應(yīng)用

使用納米制造技術(shù)，今天的超表面可以與毫米波，微波和可見光一起工作。元件可以由不同的材料制成，例如金屬或電介質(zhì)，并且可以以不同的圖案排列以達到特定的效果。

由于它們能夠在納米尺度上制造，并且能夠控制光的方向和偏振，因此超表面在許多應(yīng)用中都具有潛力，包括通信系統(tǒng)、傳感和成像。

為什么超表面可以取代LCD

在顯示技術(shù)領(lǐng)域使用超表面有一個令人信服的論據(jù)，許多人認為它們最終可以取代LCD。

基于超表面的顯示器的基本操作將涉及一個光源，例如 LED，它將光發(fā)射到超表面上。超表面然后操縱光波以產(chǎn)生所需的效果，例如產(chǎn)生圖像或改變光的顏色。這種對光波的操縱是通過使用超表面的亞波長元素控制光波的相位、振幅和偏振來實現(xiàn)的。

超表面顯示的示例

例如，為了生成圖像，可以將超表面設(shè)計為充當微小像素的數(shù)組。每個像素將由一個亞波長元件組成，該元件可以控制光的相位、振幅和偏振。通過調(diào)整光的這些特性，超表面可以產(chǎn)生不同顏色和強度的光，從而創(chuàng)建圖像。

超表面的一個優(yōu)點是它們能夠產(chǎn)生比LCD更寬的視角。LCD傾向于使用偏振器來控制光的方向，這可能會限制顯示器的視角。而采用超表面來控制光的偏振，這可以帶來更寬的視角。

此外，超表面具有比LCD更高的能源效率的優(yōu)勢，LCD中能量消耗的一個主要來源是需要背光來產(chǎn)生圖像。基于超表面的顯示器不需要背光，因此可以帶來更節(jié)能的解決方案。

超越概念驗證？

雖然他們的研究只是一個概念驗證，但研究團隊樂觀地認為，他們的發(fā)現(xiàn)是朝著開發(fā)完全商業(yè)化的基于超表面的顯示器的正確方向邁出的第一步。

編輯：黃飛

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