Electrically driven reprogrammable phase-change metasurface reaching 80% efficiency

材料科学 光电子学 可重构性 高动态范围 等离子体子 相(物质) 微型加热器 相变 衍射 调制(音乐) 动态范围 光学 计算机科学 物理 电信 工程物理 制作 声学 病理 量子力学 医学 替代医学
作者
Sajjad Abdollahramezani,Omid Hemmatyar,Mohammad Taghinejad,Hossein Taghinejad,Alex Krasnok,Ali A. Eftekhar,Christian Teichrib,Sanchit Deshmukh,Mostafa A. El‐Sayed,Eric Pop,Matthias Wuttig,Andrea Alù,Wenshan Cai,Ali Adibi
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:212
标识
DOI:10.1038/s41467-022-29374-6
摘要

Phase-change materials (PCMs) offer a compelling platform for active metaoptics, owing to their large index contrast and fast yet stable phase transition attributes. Despite recent advances in phase-change metasurfaces, a fully integrable solution that combines pronounced tuning measures, i.e., efficiency, dynamic range, speed, and power consumption, is still elusive. Here, we demonstrate an in situ electrically driven tunable metasurface by harnessing the full potential of a PCM alloy, Ge2Sb2Te5 (GST), to realize non-volatile, reversible, multilevel, fast, and remarkable optical modulation in the near-infrared spectral range. Such a reprogrammable platform presents a record eleven-fold change in the reflectance (absolute reflectance contrast reaching 80%), unprecedented quasi-continuous spectral tuning over 250 nm, and switching speed that can potentially reach a few kHz. Our scalable heterostructure architecture capitalizes on the integration of a robust resistive microheater decoupled from an optically smart metasurface enabling good modal overlap with an ultrathin layer of the largest index contrast PCM to sustain high scattering efficiency even after several reversible phase transitions. We further experimentally demonstrate an electrically reconfigurable phase-change gradient metasurface capable of steering an incident light beam into different diffraction orders. This work represents a critical advance towards the development of fully integrable dynamic metasurfaces and their potential for beamforming applications.
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