MTI工程师发现可快速重新配置超表面的新材料 或革新自动驾驶汽车技术

据外媒报道，麻省理工学院（MTI）的工程师宣布开发出一种新型透明材料，可以响应热量快速可逆地改变其原子结构。该材料是可调谐超表面或具有纳米级结构图案的平面光学设备的重要新进展。工程师们将该成果比作光学瑞士军刀，当然其前身只是一种如平头螺丝刀的工具。

改论文的第一作者、MTI材料科学与工程系（DMSE）研究生Yifei Zhang表示：“通过快速重新配置超表面可以开辟众多新应用。我们很兴奋，因为该发明克服了将这些超表面应用到现实世界中的很多障碍。”

西雅图华盛顿大学的副教授Arka Majumdar谈到这些应用时表示：“这项技术或许可以彻底改变自动驾驶汽车的光学神经网络、深度传感和激光雷达技术。”但Majumdar并未参与这项研究。

在论文中，麻省理工学院的研究人员描述了如何使用电流可逆地改变新超表面的材料结构，从而改变其光学特性。而在过去，仅能使用笨重的激光器或熔炉来提供必要的热量。该工作的负责人、材料科学与工程副教授Juejun Hu表示：“这非常重要，因为我们现在可以将整个有源光学器件以及电气开关集成在硅芯片上，从而形成一个小型光学平台。”

该团队还报告展示了使用该平台的一系列可调光学功能，其中包括光束转向装置。Hu表示：“通过将材料切换到不同的内部结构，我们可以在来回两个方向发送光。”而光束转向是自动驾驶汽车的关键。尽管Hu强调所展示的设备仍然相当初级，只是一种原理证明。

相变材料（PCM）会根据热量改变其结构，其商业应用为可重写的CD和DVD。 Hu解释说：“激光束可局部改变材料的结构，从非晶态到结晶态，而这种变化可用于编码1和0，即数字信息。”

然而，传统的PCM在光学应用方面存在局限性，例如材质不透明，因此无法让光通过。Hu表示：“这促使我们研究一种用于透明光学器件的新型相变材料。”今年年初，其团队报告称在传统的PCM中添加另一种元素硒可以解决上述问题。

该新超表面的关键是由锗、硒、锑和碲（GSST）组成的新材料。这种超表面仅厚约0.5平方毫米，并带有约100,000个纳米级结构的图案。由于这些该材料可以控制光的传播，因此可以将这些纳米结构的集合转换为透镜等器件。

牛津大学教授Harish Bhaskaran表示：“该工作非常重要，因为这种可调谐超表面，即‘平坦’或非常薄的，却可以调制光反射的表面，非常有趣。它们可以显著缩小透镜的体积，从而用于操纵光的所有器件。MTI使用低损耗的相变材料（即吸收很少光的材料）提供了实现这一点的真正途径。论文作者之一使用电控加热器进行了动态调谐。”

Hu的团队还在解决制作方法中的一些缺点。例如，他们的微型光学平台中使用的加热器是由金属制成的。但Hu表示：“由于金属会吸收光，因此我们正在研究一种由透明硅制成的新型加热器。”

这项工作得到了美国国防高级研究计划局（US Defense Advanced Research Projects Agency）和美国空军（US Air Force）的支持。研究人员表示，在研究过程中，麻省理工学院材料研究实验室、麻省理工学院微系统技术实验室和哈佛大学纳米系统中心也提供了设施支持。