在電氣工程的許多領域，技術進步的一個主要焦點一直是開發比當前技術水平更快、更小、更高效的設備。其中一個例子是1960 年代后期液晶顯示器 （LCD） 的發明，它徹底改變了顯示器行業，導致顯示器更薄、更節能。

然而，即使LCD具有許多優點，它們仍然有其局限性。為了克服這些限制，研究人員正在研究一種叫超表面（metasurfaces）的技術作為一種有可能取代LCD的新興技術，并將超表面作為一種顯示技術。

在本文中，我們將探討這項新研究，我們將討論什么是超表面，以及為什么它們可以取代LCD。

研究人員開發超表面顯示

正如他們在《自然》雜志上的論文中所描述的那樣，研究小組開發了一種新的電可調超表面，可以跨多個像素進行編程。為了實現這一目標，研究人員使用了一種新技術來實現超表面的電可調性，該技術利用了硅的大熱光學效應。

具體來說，該團隊開發了一種基于硅熱光學效應的CMOS兼容方法，使用由小于5 V的偏置電壓驅動的局部透明加熱器來控制硅空穴陣列超表面的光學特性。加熱導致硅折射率的變化，從而導致超表面共振的變化，導致共振波長處的透明度突然變化。

由此產生的器件在傳輸狀態下工作，具有低光損耗、低輸入電壓要求，并以高于視頻速率的開關速度運行。值得注意的是，通過施加不對稱驅動電壓，研究人員實現了急驟加熱( flash heating )，并觀察到625μs的調制時間，比人眼的檢測極限快十倍以上。

什么是超表面？

超表面是由亞波長元素組成的二維陣列，可操縱光以產生所需的效果。

這些亞波長元素通常小于它們相互作用的光的波長，并且可以設計它們來改變通過它們的光的性質。例如，這些陣列的一個主要應用是選擇性地傳輸或反射入射光以將其聚焦并以所需方式控制。?

超表面的一些應用

使用納米制造技術，今天的超表面可以與毫米波，微波和可見光一起工作。元件可以由不同的材料制成，例如金屬或電介質，并且可以以不同的圖案排列以達到特定的效果。

由于它們能夠在納米尺度上制造，并且能夠控制光的方向和偏振，因此超表面在許多應用中都具有潛力，包括通信系統、傳感和成像。

為什么超表面可以取代LCD

在顯示技術領域使用超表面有一個令人信服的論據，許多人認為它們最終可以取代LCD。

基于超表面的顯示器的基本操作將涉及一個光源，例如 LED，它將光發射到超表面上。超表面然后操縱光波以產生所需的效果，例如產生圖像或改變光的顏色。這種對光波的操縱是通過使用超表面的亞波長元素控制光波的相位、振幅和偏振來實現的。

超表面顯示的示例

例如，為了生成圖像，可以將超表面設計為充當微小像素的數組。每個像素將由一個亞波長元件組成，該元件可以控制光的相位、振幅和偏振。通過調整光的這些特性，超表面可以產生不同顏色和強度的光，從而創建圖像。

超表面的一個優點是它們能夠產生比LCD更寬的視角。LCD傾向于使用偏振器來控制光的方向，這可能會限制顯示器的視角。而采用超表面來控制光的偏振，這可以帶來更寬的視角。

此外，超表面具有比LCD更高的能源效率的優勢，LCD中能量消耗的一個主要來源是需要背光來產生圖像。基于超表面的顯示器不需要背光，因此可以帶來更節能的解決方案。

超越概念驗證？

雖然他們的研究只是一個概念驗證，但研究團隊樂觀地認為，他們的發現是朝著開發完全商業化的基于超表面的顯示器的正確方向邁出的第一步。

編輯：黃飛

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