科學家實現了世界上最薄的全息圖片

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近日，澳大利亞Min Gu研究組在Nature Communications發文，他們製造出了現在世界上最薄的全息圖片，該全息圖片僅60 nm厚。

1、全息圖片技術的一些基本概念。

全息圖像的基本原理是，將一束光入射到物體上，物體反射的光跟另一束參考光相互干涉，並且呈現在一個圖像面上。然後用照片記錄下在圖像面上的光的相位和幅度，該照片就是全息圖片，如圖1所示。

圖1 全息術的基本原理

觀察時，將一束重建光入射到全息圖片上，通過全息圖片上反射或者透射出來的光，可以看到一個虛擬的像，如圖2所示。

圖2、全息圖像的重建

全息圖像跟普通的照片最大的不同在於，普通的相片中，只存儲了光的幅度信息，而全息圖像同時存儲了光的幅度和相位信息。全息圖像基本上包含了物體反射的光的全部信息，所以通過全息圖像看到的物體的像，仍然是一個三維的像。

2、基於拓撲絕緣體超表面的全息圖像

通過上面的介紹我們知道，要想存儲全息圖片，必須同時存儲光的相位和幅度，這可以利用超表面來實現。超表面是一種二維的超材料，超表面由一些特殊單元結構組成，通過控制單元結構的尺寸，可以控制反射光或者透射光的相位和幅度。

實際上目前已經有很多的工作，利用超表面來產生全息圖像。而Gu的工作的亮點在於，採用了一種全新的材料，拓撲絕緣體。

拓撲絕緣體，一般是用來調控電子的，它的最有意思的地方在於，電子不能在拓撲絕緣體里傳導，只能在表面傳導，並且使單向的，遇到障礙物也不會反射，這樣就能夠避免電子的反射造成的電子碰撞，可以解決電路發熱的問題。

這種材料對於光也有特殊的作用，即，表面的折射率比較大和體里的折射率比較小。拓撲絕緣體薄膜就像一個天然的諧振腔，使光的相位發射劇烈的變化（圖3），可以使其與沒有拓撲絕緣體薄膜時的相位差達到180°。從而，有和沒有拓撲絕緣體薄膜的單元結構相當於0和1這個不同的狀態。然後通過一定的演算法可以把一個全息圖像的信息變換到一個包含很多單元結構的拓撲絕緣體薄膜上。如圖4所示，其中刻蝕了圓孔的單元相當於0，沒有刻蝕圓孔的單元相當於1。當光入射到包含全息圖像的拓撲絕緣體薄膜，可以看到一個立體的像。

圖3 、拓撲絕緣體薄膜在光頻段是天然的諧振腔

圖4、基於拓撲絕緣體薄膜的全息圖像。其中刻蝕和沒被刻蝕的單元分別表示0和1，通過特殊的演算法，可以把全息圖像的信息刻蝕到拓撲絕緣體薄膜上。

通過這個方法Gu等人，實驗實現了一個厚度只有60nm的全息圖像（圖5）。

圖5 、（a）實際的物體。（b）刻蝕了120*120像素的拓撲絕緣體薄膜。。（c）圖（b）的局部放大。（d）-（f）不同光入射下看到的像。

References

Yue, Z., Xue, G., Liu, J., Wang, Y., & Gu, M. (2017). Nanometric holograms based on a topological insulator material. Nature Communications, 8.