研究人员为全息视频技术开发可电动切换的离子体纳米天线

视频会议在COVID-19大流行期间发挥了关键作用，并将在未来主导许多会议。为了实现面对面对话的真实感觉需要实现三维视频，然而迄今为止全息技术仍然缺失。德国斯图加特大学的研究人员现在引入了一种全新的方法来实现这种动态的全息显示，其基础是由导电金属聚合物制成的可电动切换的等离子体纳米天线。

这一关键因素为实现视频速率的全息显示提供了缺失的技术，这将使虚拟会议具有"真实生活"的感觉。详细介绍这项工作的论文已于2021年10月28日发表在权威杂志《科学》上。

未来的虚拟会议。右边的会议成员戴着VR/AR护目镜，上面显示着左边女士的全息图。

全息技术能够创造令人印象深刻的三维静态图像是众所周知的。到目前为止，利用高速互联网连接的数据以视频速率切换的动态全息图是不可能的。在此之前，限制因素是显示器的分辨率。全息图像需要50000dpi（每英寸像素）的分辨率，这比最好的智能手机显示屏高出100倍。为了达到这样的分辨率，我们必须将像素的大小减少到半微米（千分之一毫米）。然而，目前的液晶技术不允许有这么小的像素，被限制在几微米的像素大小。

斯图加特大学的研究人员已经成功地打破了这个基本障碍。在物理学和化学的跨学科合作中，他们提出了使用尺寸仅为几百纳米、由导电聚合物制成的可电动切换的等离子体纳米天线的想法。

可用于电动纳米天线切换的金属聚合物元表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。

几年来，研究人员已经创造了能产生静态3D全息图的元表面。然而，他们的组件或纳米天线由金或铝等金属组成，无法像普通液晶材料那样进行切换。在寻找合适的材料数年后，博士生Julian Karst和Harald Giessen教授小组的纳米光子学专家Mario Hentschel博士与高分子化学家Sabine Ludwigs教授及其团队一起，确定了导电聚合物为可切换等离子体的可能候选材料。萨宾·路德维希斯贡献了她在此类功能性聚合物的电化学开关方面的专业知识，这也是2000年化学诺贝尔奖的焦点。

到目前为止，这种材料主要用于柔性显示器和太阳能电池中的电流传输。在与洁净室负责人Monika Ubl的合作下，Karst和Hentschel开发了一种工艺，利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，从而创造出等离子体纳米天线。研究小组表明，通过施加负一伏和正一伏之间的电压，纳米天线的光学外观可以在有光泽的金属和透明材料之间进行切换。这种切换效果甚至在30赫兹的视频速率下也能发挥作用。尽管只有几十纳米的厚度和不到400纳米的尺寸，但纳米天线与目前最先进技术中使用的更大更厚的液晶做着同样的工作。这些新设备达到了所需的像素密度，约为50000dpi。

左图：显示质子聚合物纳米天线的图像，切换到电介质（玻璃质）状态。从底部的光束刚刚通过顶部，没有被偏转。右图：显示质子聚合物纳米天线的图像，切换到金属状态。来自底部的光束在通过样品时被偏转到侧面。

卡斯特用纳米天线创造了一个简单的全息图元表面，通过施加电压可以将红外激光束偏转10度到一侧。目前，他正在努力使这种偏转可用于许多角度，以应用于自动驾驶车辆的激光雷达设备，这对汽车行业具有浓厚的兴趣。此外，卡斯特创造了一种全息图，其行为就像一个光学透镜，可以打开和关闭。

这项技术对于未来的智能手机摄像头或光学传感器至关重要，通过切换施加的电压可以从广角放大到长焦。目前，要实现这一功能需要多达四个镜头。

在未来，哈拉尔德·吉森教授和他的团队的目标是单独解决每一个像素，以视频速率动态地改变全息图的内容。此外，聚合物纳米天线的光学特性必须转移到可见光波长范围，这需要与化学家和材料科学家合作。与工程师一起，集成的、可动态切换的光学显示器和第一个移动全息图可以被集成到AR/VR护目镜中，并最终集成到智能手机屏幕甚至电视上。

根据显示技术的摩尔定律，这项技术可在2035年左右实现商业化。