这是我们很多人都熟悉的场景：你在当地的咖啡店里用笔记本电脑工作，周围可能有六七个其他笔记本电脑用户——你们每个人都在尝试加载网站或播放高清视频，所有人都渴望更多的带宽。现在想象一下，你们每个人都有一个专用的通信信道，它比我们今天使用的 Wi-Fi 快数百倍，带宽也大数百倍。由于超表面(可以以所需的方式反射和引导光线的微型工程薄片)的发展，这个梦想可能并不遥远。

在今天发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中，加州理工学院的一组工程师报告了他们构建这样一种超表面，这种超表面带有微型可调天线，能够反射入射的光束，从而创建许多不同光频率的边带或通道。

“通过这些超表面，我们能够显示一束光进入，多束光出去，每束光具有不同的光频率并朝不同的方向传播，”工程与应用科学部奥蒂斯·布斯领导主席、应用物理与材料科学霍华德·休斯教授、新论文的资深作者哈里·阿特沃特 (Harry Atwater) 说道。“它就像一整套通信信道。我们已经找到了一种方法来处理自由空间信号，而不是光纤上传输的信号。”

这项工作不仅为开发新型通信信道指明了一条有希望的路线，而且也为开发新的测距技术指明了方向，甚至为向太空传输大量数据指明了新方法。

超越传统光学元件

新论文的共同第一作者、Atwater 团队的研究生 Prachi Thureja 表示，要理解他们的工作，首先要考虑“超表面”这个词。词根“meta”来自希腊语前缀，意为“超越”。超表面的设计超越了我们用传统笨重光学元件(如照相机或显微镜镜头)所能做的事情。这种多层晶体管类器件采用精心挑选的纳米天线图案设计，可以反射、散射或以其他方式控制光线。这些扁平器件可以像透镜一样聚焦光线，也可以像镜子一样反射光线，方法是通过策略性地设计一组纳米级元件来改变光线的响应方式。

之前对超表面的大量研究都集中在创建具有单一光导功能的被动设备，这些设备在时间上是固定的。相比之下，阿特沃特的团队专注于所谓的主动超表面。“现在我们可以对这些设备施加外部刺激，例如不同电压的阵列，并在不同的被动功能之间进行调整，”阿特沃特实验室的研究生兼论文共同第一作者贾里德·西斯勒说。

在最新的研究中，该团队描述了一种他们所谓的时空超表面，它可以在特定方向和特定频率(时间函数，因为频率定义为每秒通过一个点的波数)反射光。这种超表面设备的核心只有 120 微米宽和 120 微米长，在通常用于电信的光频率下以反射模式运行，具体来说是 1,530 纳米。这比电频率高出数千倍，这意味着可用的带宽要大得多。

在电频率下，电子设备可以轻松地将光束引导到不同的方向。这通常是由飞机上使用的雷达导航设备实现的。但目前还没有电子设备可以在更高的光频率下做到这一点。因此，研究人员不得不尝试一些不同的东西，即改变天线本身的属性。

Sisler 和 Thureja 创造了由金天线组成的超表面，底层是一层可电调谐的氧化铟锡半导体层。通过在设备上施加已知的电压分布，他们可以局部调节每个天线下方半导体层中的电子密度，从而改变其折射率(材料的光弯曲能力)。“通过在设备上设置不同电压的空间配置，我们可以实时将反射光重定向到指定的角度，而无需更换任何笨重的组件，”Thureja 说。

“我们让入射激光以特定频率撞击超表面，然后利用高频电压信号及时调制天线。这会产生多个新频率或边带，它们由入射激光携带，可用作发送信息的高数据速率通道。除此之外，我们仍然拥有空间控制权，这意味着我们可以选择每个通道在空间中的去向，”西斯勒解释说。“我们正在生成频率并在空间中纵它们。这就是这个超表面的时空组成部分。”

展望未来

除了证明这种超表面能够在自由空间(而不是光纤)中分裂和重定向光频率的光之外，该团队还表示，这项研究还指向了几种可能的应用。这些超表面可能在激光雷达(相当于雷达的光)应用中很有用，其中光用于捕获三维场景的深度信息。最终的梦想是开发一种“通用超表面”，它可以创建多个光通道，每个通道在自由空间中以不同的方向传输信息。

“如果光学超表面成为一种可实现并广泛应用的技术，那么十年后，你将能够与一群其他人一起坐在星巴克使用笔记本电脑，而每个人获得的不是射频 Wi-Fi 信号，而是他们自己的高保真光束信号，”加州理工学院液体阳光联盟主任阿特沃特说。“一个超表面将能够向每个人发射不同的频率。”

该团队正在与 JPL 的光通信实验室合作，该实验室正在研究使用光频率而不是电频率波与太空任务进行通信，因为这将能够以更高的频率发送更多的数据。“这些设备非常适合他们正在做的事情，”西斯勒说。