精彩论文 | 用于自旋复用全息与降低反射探测性的动态手性超构表面

论文导读

      基于手性超构表面对圆极化电磁波的调控是目前的热点之一。其中，圆二色性是手性结构所能产生的独特现象，在人工电磁材料领域得到极大的关注。其被认为是电磁调控的辅助维度，但目前仍是一个项具有挑战性的课题。2022年4月，北京理工大学黄玲玲教授课题组与空军工程大学屈绍波教授课题组合作在 PhotoniX 期刊发表论文“Metasurface with dynamic chiral meta-atoms for spin multiplexing hologram and low observable reflection”，此工作将手性结构与有源器件相结合，在微波频段产生明显的圆二色性。通过外加电压驱动，实现自旋复用全息成像与低可探测性反射的功能动态切换。所提出的策略可用于拓展动态手性超表面的研究，有望应用于信息加密、防伪、拓展信息容量和动态自旋复用调控中。

研究背景

      手性结构能够与不同旋向的电磁波产生相异的响应，在旋向选择和差分吸收调控方面有着巨大的应用潜力。在超构表面技术的辅助下，人工排列的超构单元可以显著增强自然材料中的弱手性响应。其中，左旋与右旋圆极化电磁波的差分吸收表现为圆二色性。另一方面，手性结构具有实现高效圆极化转换的潜力，通过结构优化，根据Pancharatam-Berry相位原理，可进行灵活的电磁调控。目前，利用三维或级联结构在实现强圆二向色的研究中得到广泛讨论，其频率范围覆盖可见光甚至千兆赫。然而，此类方法的结构复杂性较大，且难以实现可重构。随着现代加密通信和防伪技术的需求不断增加，迫切需要一种可动态调控的策略，旨在为实现更广阔的电磁调控应用提供平台。通过加载有源器件可以实现电磁响应的动态调控，尤其适用于微波系统。该方法能够有效集成于平面金属结构单元中，便于调控且成本较低。然而，对于动态调控圆二色性方面的研究仍然一项学术难题，仍需进一步探索。

技术突破

      本工作以动态方式调控电磁波实现自旋复用全息图和低可探测性反射的功能切换。首先将有源器件-变阻器二极管与超构表面相结合用于设计四种不同的超构单元，其结构示意图与相应的交叉极化幅度响应如图1所示。当变阻器二极管加载于开口谐振环对称位置时，在导通状态下，左旋和右旋交叉极化幅度响应相同。而当变阻器加载于开口谐振环手性位置时，对于左旋和右旋波产生了显著的差分吸收现象，即圆二色性。因此可以将四种超构单元针对入射电磁波旋向进行二进制编码，记为“00”，“01”，“10”和“11”，以用作基于幅度响应的旋向复用全息设计。另一方面，在变阻器截止状态下，手性吸收特性消失，四种超构单元不再显现圆二色性，而不同单元之间产生180度相位差。可用于相位编码，实现电磁散射功能。

      在变阻器二极管导通时，以英文字母“L”和“R”作为全息成像的原理验证，分别在左旋和右旋圆极化电磁波激励下重建全息图。利用点源法对成像所需的幅度分布进行计算，工作频点选择为12GHz，成像平面设置为距离手性超构表面300mm处。仿真与实验结果如图2（a）所示，其成像效率分别为57.93%和65.43%，峰值信噪比分别为28.43和31.61。

      在变阻器二极管截止时，手性超构表面幅度分布相对均匀，而相位分布符合1-bit相位编码序列。根据远场散射理论，其远场方向图呈现电磁散射效果。如图2（b）所示，在左旋和右旋圆极化波入射时，后向散射强度大幅度降低，实现了低可观测性反射效果。示例以动态调控的方式将圆二色性超构表面推向应用层面，在信息加密、防伪和隐身领域具有巨大潜力。

观点评述

      针对圆二色性的实际应用，本工作将有源器件引入到手性金属单元中，通过改变不同的直流偏置电压来实现圆二色性强度的调控。对所设计的超构单元按照既定口径分布进行排列，制备了一个由偏压驱动的动态手性超构表面，在微波频段实现了自旋复用全息与低可观测性反射的功能切换。通过数值仿真和实验的方法分别在近场和远场验证了所提出范例的可行性。由于结构简单，操作便捷，所提出的策略可以扩展到太赫兹或可见光频段。此外，该方法可以使用包括氧化钒、Ge₂Sb₂Te₅等相变材料替换有源器件，具有通过温控或光控的方法实现动态调控的潜力。

主要作者

      王贺，北京理工大学光电学院/空军工程大学基础部，电子科学与技术专业博士研究生，研究方向包括人工表面等离激元和手性超构表面器件。

      秦喆，空军工程大学基础部，电子科学与技术硕士研究生，研究方向为有源动态超构表面。

       黄玲玲，北京理工大学教授，博士生导师。入选教育部青年长江学者、北京市卓越青年科学家等人才计划。长期从事微纳光学器件物理机制和功能应用研究。研究成果以第一或通讯作者发表在Nature Communication, Science Advances, Advanced Materials, Light: Science & Applications等国际顶级期刊。主持科技部重点研发计划、国家自然科学基金委联合基金重点项目等共10余项。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。

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