Электрически переключаемые наноантенны могут позволить использовать технологию голографического видео

Видеоконференцсвязь сыграла ключевую роль во время пандемии COVID-19 и будет доминировать на многих встречах в будущем. Чтобы реализовать истинное ощущение личного диалога, требуется трехмерное видео, но нормальная голографическая технология все еще отсутствует. Исследователи из Штутгартского университета в Германии представили совершенно новый подход к реализации таких динамических голографических дисплеев, основанный на электрически переключаемых плазмонных наноантеннах, изготовленных из проводящих металлических полимеров. Этот ключевой элемент обеспечивает недостающую технологию, позволяющую отображать голографические изображения со скоростью видео, что позволяет проводить виртуальные конференции с ощущением «реальной жизни».

Голограммы, создающие впечатляющие трехмерные статические изображения, хорошо известны. Динамические голограммы, переключаемые со скоростью видео с использованием данных из высокоскоростного Интернет-соединения, до сих пор невозможны.

Раньше ограничивающим фактором было разрешение дисплея. Для голографических изображений требуется разрешение 50 000 dpi (пикселей на дюйм), что в 100 раз больше, чем у лучших дисплеев смартфонов. Для такого разрешения необходимо уменьшить размер пикселя до половины микрометра (одной тысячи миллиметров). Однако текущая жидкокристаллическая технология не позволяет создавать такие маленькие пиксели, ограничиваясь размером пикселя в несколько микрометров.

Исследователям из Штутгартского университета впервые удалось преодолеть этот фундаментальный барьер. В рамках междисциплинарного сотрудничества физиков и химиков они разработали идею использования электрически переключаемых плазмонных наноантенн с размерами всего несколько сотен нанометров, изготовленных из проводящих полимеров.

В течение нескольких лет исследователи создавали метаповерхности, которые генерируют статические трехмерные голограммы. Однако их компоненты, или наноантенны, состояли из металлов, таких как золото или алюминий, которые нельзя было переключать, как обычные жидкокристаллические материалы. После нескольких лет поиска подходящего материала ученые определили электропроводящие полимеры как возможные кандидаты для переключаемой плазмоники.

До сих пор такие материалы в основном использовались для транспортировки тока в гибких дисплеях и солнечных элементах. Но исследователи разработали процесс наноструктурирования металлических полимеров, используя комбинацию электронно-лучевой литографии и травления, тем самым создав плазмонные наноантенны. Команда показала, что оптический вид наноантенн можно переключать между блестящим металлом и прозрачным материалом, подав напряжение от минус до плюс один вольт.

Этот эффект переключения работает даже при частоте видео 30 Гц. Несмотря на то, что их толщина составляет всего несколько десятков нанометров, а размер меньше 400 нанометров, наноантенны выполняют ту же работу, что и более крупные жидкие кристаллы, используемые в современных технологиях. Эти новые устройства достигают требуемой плотности пикселей около 50 000 точек на дюйм.

Ученые создали простую метаповерхность голограммы из наноантенн, которая могла отклонять инфракрасный лазерный луч на 10 градусов в одну сторону, подавая напряжение. В настоящее время они работают над тем, чтобы сделать это отклонение доступным для многих углов для приложений LIDAR в автономных транспортных средствах, что представляет большой интерес для автомобильной промышленности. Кроме того, они создали голограмму, которая ведет себя как оптическая линза, которую можно включать и выключать, просто приложив ± 1 вольт. Эта технология имеет решающее значение для будущих камер смартфонов или оптических датчиков, которые можно будет масштабировать от широкоугольного до обычного, переключая приложенное напряжение. В настоящее время для этой функции требуется до четырех линз.

В будущем исследователи стремятся обрабатывать каждый пиксель индивидуально, динамически изменять голограммы по желанию со скоростью видео. Кроме того, оптические свойства полимерных наноантенн должны быть сдвинуты в видимый диапазон длин волн, что требует сотрудничества с химиками и учеными-материаловедами. Вместе с инженерами интегрированные и динамически переключаемые оптические дисплеи и первые движущиеся голограммы могут быть интегрированы в очки AR / VR и, в конечном итоге, на экраны смартфонов и даже телевизоры.

Если применить закон Мура к дисплеям, то увеличение примерно в 100 раз может произойти в коммерческом плане примерно к 2035 году.

Статья, подробно описывающая эту работу, была опубликована в журнале Science.