Science：全息！在虚拟会议中感受“真实”

中科院长春光机所 2021-12-03 11:03

以下文章来源于中国光学 ，作者Light新媒体

中国光学 .

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‍撰稿 | Yue（哈工大，博士生）

在线的视频会议在新冠肺炎疫情期间发挥了关键作用，并将在未来主导许多会议。但目前的视频会议还不能实现面对面交流的“真实”感，主要原因是全息技术（名词解释>）还不完善。


三维静态图像的全息图（名词解释>）是众所周知的。但是，直到现在，仍不能在高速互联网的连接下实现“视频式”的动态全息图切换。其主要限制因素便是动态全息图像所需的分辨率需要高达50,000 dpi（每英寸像素数，这一数值约为智能手机显示器的100倍），这便需要将像素尺寸减少到0.5 μm左右，然而目前主流的液晶技术(名词解释>）像素尺寸最小为几微米，无法满足这一目标要求。
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图1：未来虚拟会议：右侧会议成员佩戴VR/AR护目镜，显示左侧女士的全息图。
图源：德国斯图加特大学

德国斯图加特大学的Harald Giessen教授所领导的团队打破了这一障碍。研究人员引入了一种全新的方法来实现这种动态全息显示，在物理和化学之间的跨学科合作中，他们提出了由导电金属聚合物制成的，尺寸仅为几百纳米的，电动切换的，等离子体纳米天线（名词解释>）。这个关键元素提供了以视频速率实现全息显示的缺失技术，这将使虚拟会议具有“真实”的感觉。

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图2：由金属聚合物制成的电动切换的切换等离子体纳米天线
图源：德国斯图加特大学

其相关成果以“Electrically switchable metallic polymer nanoantennas”为题发表在Science。

导电聚合物作为合适的可切换材料 

近几年来，科学们已经创造出了可以生成静态三维全息图像的超构表面，但它们的主要组件（纳米天线）一般由金或铝等金属组成，无法像液晶材料那样实现自由切换。研究人员花费了数年的时间去寻找合适的材料，最终将导电聚合物作为可切换等离子体纳米天线的候选材料。这种材料同时也是2000年诺贝尔化学奖的焦点。

拓展阅读：《白川英树：2000年诺贝尔化学奖得主，让塑料导电》

扩 展 资 料

瑞典皇家科学院于2000年10月10日决定，将2000年诺贝尔化学奖授予美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树，以表彰他们有关导电聚合物的发现（聚乙炔在1000摄氏度时导电）。

在人们的印象中，塑料是不导电的。在普通的电缆中，塑料就常被用作导电铜丝外面的绝缘层。但本年度三名诺贝尔化学奖得主的成果，却向人们习以为常的“观念”提出了挑战。他们通过研究发现，经过特殊改造之后，塑料能够表现得像金属一样，产生导电性。

所谓聚合物，是由简单分子联合形成的大分子物质，塑料就是一种聚合物。聚合物要能够导电，其内部的碳原子之间必须交替地以单键和双键结合，同时还必须经过掺杂处理——也就是说，通过氧化或还原反应失去或获得电子。

黑格、马克迪尔米德和白川英树等在70年代末就作出了一些原创性的发现，由于他们的开创性工作，导电聚合物成为物理学家和化学家研究的一个重要领域，并产生很多有价值的应用。利用导电塑料，人们研制出了保护用户免受电磁辐射的电脑屏保以及可除去太阳光的“智能”窗户。除此之外，导电聚合物还在发光二极管、太阳能电池和移动电话显示装置等产品上不断找到新的用武之地。

到目前为止，这类材料主要用于柔性显示器和太阳能电池的电流传输中，研究人员使用电子束光刻和蚀刻的组合对金属聚合物进行纳米结构化，从而制造出等离子体纳米天线。

该团队通过实验证明：通过外加±1V的电压，纳米天线可以在金属状态和透明绝缘体状态之间实现自由切换，其切换速率可达30Hz，已经达到了视频速率的要求。

另外，这种纳米天线的厚度仅为几十纳米且尺寸不到400纳米，但其发挥的作用已经可以和最先进的液晶材料相媲美，完全可以满足全息技术所需的50,000 dpi像素密度。
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图3：电动切换光束偏转控制超构表面，左：外加电压为-1V时，导电聚合物呈绝缘状态，来自底部的光束直接穿过器件而不发生偏转；右：外加电压为+1V时，导电聚合物呈金属状态，来自底部的光束在穿过器件的同时发生偏转，且其偏振特性也会发生相应的改变。
图源：德国斯图加特大学

在应用价值方面，研究人员在纳米天线中创建了一个简单的全息超构表面，通过施加不同电压可以控制红外激光束偏转10°左右，这种偏转可用于自动驾驶汽车中的激光雷达。

此外，他们还制造了一种类似光学透镜的全息图，只需施加±1V即可打开和关闭，这项技术对于未来的智能手机相机或光学传感器至关重要，它们可以通过施加的电压实现镜头从广角变焦到长焦的切换。

未来，研究人员致力于将这种纳米天线的光学特性转移到可见光的波长范围，并最终将其集成到AR/VR眼镜、智能手机屏幕甚至电视屏幕当中。以显示技术的摩尔定律为参考，这一技术可能会在2035年左右发展到商业化的水平。

论文信息：

Karst et al., Science 374, 612–616 (2021) 
https://doi.org/10.1126/science.abj3433

参 考 资 料

1. 2000年诺贝尔化学奖获得者艾伦·J·黑格、艾伦·G·马克迪尔米德和白川英树，新华网

2. Real-life feeling at online video conferences, University of Stuttgart


监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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