近日，南京大学吴培亨院士课题组金飚兵教授和吴敬波教授联合南京大学、湖北大学、紫金山实验室等多家单位，在多层金属结构中引入二氧化钒（VO2）相变材料作为太赫兹波调控单元，并通过特定的空间序构策略，构建了可重构“双面神”超表面（图1）。利用温度变化和太赫兹波入射方向的不同，实现了聚焦、全息图像等电磁功能的双向、动态、独立操控。这项工作不仅为双向动态调控超表面提供了一种通用设计方法，提升了电磁超表面的集成度，也在电磁信息加密、数据存储和智能窗等应用中具有良好前景。该成果以“Directional terahertz holography with thermally active Janus metasurface”为题，发表于Light : Science and Applications。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01177-4。
图1 “双面神”超表面实现太赫兹全息图像的双向动态调控
近年来，超表面由于可通过人工设计的微结构单元及其空间序构来实现灵活多变的电磁波调控而备受关注，在高速无线通信、全息成像、雷达等信息技术领域有着广泛的应用，但这些应用也对超表面的电磁信息容量有着更大的需求。目前，利用频率、极化、波长等多自由度复用构建多功能超表面是提升信息容量的主要途径之一。近期，具有非对称传输特性的“双面神”超表面为多功能超表面发展提供了新思路和新方法，它利用电磁波传播方向这一固有特性实现双向电磁波功能灵活调控与复用。但是，如何实现“双面神”超表面的动态调控仍然尚待解决，大大限制了双向调控超表面器件的应用。
面对上述挑战，研究人员通过三层金属结构打破面外对称性，并嵌入二氧化钒微结构，构建了具有可重构非对称传输特性的超表面单元（见图2a）。随后，利用遗传算法优化中间层对称开口环谐振结构的几何参数，分别得到8个集成二氧化钒微结构的主动调控单元以及移除二氧化钒微结构后的8个静态调控单元。
在二氧化钒处于绝缘态且太赫兹波前向入射时，主动调控单元的交叉极化透过系数Tyx（下标表示x极化入射，y极化透射）与静态调控单元一致，对0.99 THz的电磁波透过系数均>0.65；当二氧化钒处于金属态时，透过系数接近0，展现了优异的幅度调控性能。太赫兹波后向入射时，无论二氧化钒状态如何，Tyx接近于0，具有较高的前后能量比值，体现出优异的非对称传输能力，见图2b。此外，图2c给出8个主动调控单元的透射相位，能覆盖[0,2π]相位，间距为π/4。
图2: a非对称主动调控单元和对称开口环谐振结构的示意图。b和c主动调控单元调控交叉极化系数的幅度、相位和非对称传输。
基于上述16个单元，研究人员通过整体90°旋转、棋盘状空间序构以及主动、静态调控单元间的干涉相消等策略构建了可重构“双面神”超表面。在实验上，研究人员证明该超表面可以实现方向选择性的焦点切换，如图3所示：当入射电磁波前向入射且二氧化钒处于绝缘态时，该超表面将太赫兹波聚焦在x=-1.49 mm，而二氧化钒被加热至金属态时焦点则横向移动至x=+1.38 mm。太赫兹波后向入射时，超表面则呈现完全不同的电磁功能，能在二氧化钒相变前后实现径向焦距从z=-8 mm到z =-3.5 mm的切换。
图3：传播方向和温度复用实现电磁波聚焦行为的双向独立动态调控。
该工作提出了能实现太赫兹波双向独立调控的可重构“双面神”超表面，其具有亚波长厚度、主动调控、方向复用等优点。利用所提出的超表面，研究人员开发并验证了超表面的多种潜在应用场景，包括焦点调谐、全息图像的动态切换、光学加密和波束赋形等。在该工作中，电磁波入射方向、主动调控技术以及空间序构的设计策略有望为多功能电磁超表面的进一步研究和发展提供新途径。
论文第一作者为南京大学陈本纹博士，共同通讯作者为南京大学吴敬波教授、陈克副教授、金飚兵教授和湖北大学何云斌教授，吴培亨院士、陈健教授、吴兴龙教授和冯一军教授给予了重要建议，博士研究生杨圣新、范克彬副教授、张彩虹教授和王华兵教授亦有重要贡献。该项目得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和江苏省电磁波先进调控技术重点实验室等项目的支持。
