Interaktive Photonik mit Metaoberflächen

„Aktive Metaoberflächen erweitern die Möglichkeiten der planaren Optik: Sie ermöglichen es, optische Funktionen dynamisch zu konfigurieren“, sagt Laura Na Liu, Direktorin des 2. Physikalischen Instituts der Uni Stuttgart. „Um dieses Potential zu nutzen, müssen wir lernen, einzelne Pixel einer Metaoberfläche innerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs individuell anzusteuern.“

Ihr Team hat nun ein Meta­ober­flä­chen-Bau­ele­ment entwickelt, das Licht mithilfe elektrisch schalt­ba­rer organischer Materialien dynamisch lenkt. Mithilfe der neuen Plattform kann jedes Pixel einer Metaoberfläche einzeln elektronisch angesteuert werden. Dadurch lassen sich Nutzerbefehle direkt in dynamische holografische Bilder übersetzen. Mit ihrer Arbeit schaffen die Forschenden einen wichtigen Meilenstein von der aktiven Metaoberfläche hin zu programmierbaren optischen Technologien.

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Sensorik mit Nanofokus

Metaoberflächen haben die planare Optik in den letzten zehn Jahren revolutioniert, da sie mithilfe von Nanostrukturen eine präzise Steuerung von Licht ermöglichen. Jedoch führen die meisten bisher entwickelten Metaoberflächen-Bauelemente nur vordefinierte Aufgaben aus. In zahlreichen Ansätzen gelang bereits eine dynamische Änderung der optischen Funktion nach der Herstellung des Bauelements. Individuelle Pixel konnten bisher nur bedingt angesteuert werden.

Ziel der Stuttgarter Forschenden war es, eine frei programmierbare Metaoberfläche zu realisieren. Um das zu erreichen, kombinierten sie plasmonische Gold-Nanoantennen mit ultradünnen, elektrochemisch aktiven, leitfähigen Polymeren und einer planaren elektronischen „Fan-Out-Architektur“. Diese Architektur ermöglicht die individuelle Ansteuerung von Pixeln, die jeweils aus vielen Nanostrukturen bestehen. Die Pixel lassen sich mit elektrischen Signalen im Sub-Volt-Bereich innerhalb von Millisekunden schalten; elektrische Störungen zwischen benachbarten Pixeln sind dabei vernachlässigbar.

Die Plattform, die die Forschenden entwickelt haben, ermöglicht es, die optische Funktionalität durch elektronische Steuerung auf Ebene einzelner Pixel dynamisch anzupassen. „Individuelle Adressierbarkeit ist die Grundlage jeder programmierbaren Technologie – das gilt auch für Metaoberflächen“, sagt Na Liu. „Indem jedes optische Pixel eine eigene elektronische Adresse erhält, werden aus Metaoberflächen programmierbare photonische Plattformen, die ihre Funktionalität in Echtzeit anpassen können.“

Um die Leistungsfähigkeit der Plattform zu demonstrieren, integrierten die Forschenden ihr Metaoberflächen-Bauelement in ein komplettes elektronisches Steuerungssystem. Tastatureingaben am Computer wurden bei dem Experiment umgehend in holografisch projizierte Buchstaben und Zahlen übersetzt. In einer zweiten Demonstration spielten die Nutzenden mit einem Hand­held-Game­con­trol­ler holografische Versionen klassischer Spie­le – darunter „Snake“ und ein von „Tetris“ inspiriertes Block-Fall-Spiel. Anstatt vordefinierte optische Muster anzuzeigen, passte sich die holografische Szene kontinuierlich an die Nutzereingaben an, es kam also eine direkte Interaktion zwischen Nutzer*innen, Elektronik und Licht zustande.

„Entscheidend dabei ist, dass jedes Pixel schnell schaltet, aber gleichzeitig von seinen Nachbarpixeln elektrisch isoliert bleibt“, erklärt Xiangyu Huang. „Zu sehen, wie holografische Bilder augenblicklich auf Befehle reagierten, war ein packender Moment. Wir haben gezeigt, dass individuell adressierbare Metaoberflächen zu wahrhaft interaktiven optischen Bauelementen werden können.“

Im Gegensatz zu konventionellen optischen Bauelementen, deren Funktionalität weitgehend bei der Fertigung festgelegt wird, kann ein Meta­ober­flächen-Bau­ele­ment verschiedene optische Aufgaben allein durch die Änderung der elektronischen Ansteuersignale erfüllen. Dieser programmierbare Betrieb ermöglicht es einer einzigen optischen Plattform, mehrere dynamische Funktionen bereitzustellen, ohne dass ihre physische Struktur geändert werden muss.

Die Forschenden sind überzeugt, dass das Konzept weit über die in der Studie gezeigten ho­lo­gra­fi­schen Anwendungsbeispiele hinausgeht. Mit der zunehmenden Verfügbarkeit größerer Pixel-Anordnungen, verbesserter leitfähiger Polymere und hochentwickelterer elektronischer Steuerungssysteme könnten individuell ansteuerbare Metaoberflächen zunehmend leistungsfähige adaptive optische Technologien für die Bildgebung, Kommunikation, Sensorik und tragbare Photonik ermöglichen. [U Stuttgart / dre]