近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授叢龍慶研究團(tuán)隊(duì)與教授羅丹團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了基于液晶彈性體的可調(diào)太赫茲非局域超表面。該研究利用連續(xù)域束縛態(tài)(BIC)機(jī)理和液晶彈性體(LCE)調(diào)制能力，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兼具高光譜和高空間選擇性的太赫茲波束賦形超表面，為下一代無線通信的先進(jìn)太赫茲器件提供了基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以“Active Terahertz Nonlocal Metasurfaces With Liquid Crystal Elastomers”為題，發(fā)表在光學(xué)一區(qū)TOP期刊Laser & Photonics Reviews上。

基于太赫茲波的下一代無線通信將滿足更高數(shù)據(jù)速率的需求，超表面展示了在更高頻率下操縱電磁波的能力。通過幾何相位等引入面內(nèi)波矢，電磁波前可以自由調(diào)制，這是太赫茲無線通信中非視距傳輸?shù)年P(guān)鍵優(yōu)勢。由于幾何相位的寬帶響應(yīng)，傳統(tǒng)局域超表面已被用于實(shí)現(xiàn)寬帶范圍內(nèi)波長和角度均色散的光束偏轉(zhuǎn)。然而，這種寬帶色散的波前調(diào)制缺乏頻域和空間域的選擇性，從而降低波束賦形質(zhì)量和增益。最近，基于非局域超表面原理的波前調(diào)制提供對頻域和空間域波束的高選擇性賦形：光譜選擇性由連續(xù)域束縛態(tài)決定，空間選擇性與耦合相位及高品質(zhì)因數(shù)光譜有關(guān)。

超表面面臨的另一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是可調(diào)性，使其能夠響應(yīng)外部刺激實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)功能。在太赫茲波段，主動波束偏轉(zhuǎn)器件作為非視距通信的信號中繼尤其重要。先前對主動太赫茲波束超表面的研究主要集中在局域超表面，集成液晶、相變材料等材料。另一種解決方案是使用機(jī)械形變材料，其中液晶彈性體表現(xiàn)了卓越的靈活性，還具有易于制造、性能穩(wěn)定和低成本的特點(diǎn)。因此，基于液晶彈性體的超表面為開發(fā)有源器件提供了一個極好的平臺，與非局域超表面的集成可以進(jìn)一步增強(qiáng)光譜和空間選擇性，改善信號質(zhì)量并提升下一代無線通信的能力。

研究團(tuán)隊(duì)采用LCE薄膜和鋁制微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)非局域超表面。與以寬帶色散光譜覆蓋和廣角空間響應(yīng)為特征的局域超表面相比，非局域超表面支持導(dǎo)模衍生的連續(xù)域束縛態(tài)，促成了具有高光譜和空間選擇性的波束偏轉(zhuǎn)(圖1a-b)。單棒諧振器在布里淵區(qū)Y點(diǎn)處的光線下方呈現(xiàn)導(dǎo)模，二聚化擾動使實(shí)空間中的周期加倍，在倒易空間將導(dǎo)模從Y點(diǎn)折疊到Г點(diǎn)(圖1c)。由此產(chǎn)生的折疊模式在連續(xù)域中作為典型的對稱保護(hù)束縛態(tài)發(fā)揮作用，打破二聚體對稱性可以產(chǎn)生由準(zhǔn)BIC引起的高品質(zhì)因數(shù)非局域共振。根據(jù)基于群論的選擇規(guī)則分析了耦合輸入和耦合輸出過程引入的相位調(diào)制(圖1d)。

圖1 非局域超表面的特性及工作原理

研究團(tuán)隊(duì)制備了非局域超表面器件，利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測試了不同偏轉(zhuǎn)角度下的時(shí)域數(shù)據(jù)(圖2a-b)。角分辨和頻率分辨強(qiáng)度譜揭示了被動和主動狀態(tài)下交叉極化輻射在圓極化基上的空間和光譜分布(圖2c)，可以觀察到透射的交叉極化組分發(fā)生波束偏轉(zhuǎn)，且光譜和空間分布趨于集中。角度分辨光譜展示了非局域超表面的光譜選擇性(圖2d)，偏轉(zhuǎn)光束在39°處具有22的品質(zhì)因數(shù);此外，半功率波束寬度為5°，體現(xiàn)了很好的空間選擇性(圖2e)。

圖2 主動非局域超表面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

非局域超表面還展示了高光譜和空間分辨能力的可調(diào)偏振選擇性。在左旋圓偏振(LCP)和右旋圓偏振(RCP)入射下，超表面的耦合相位分別給RCP和LCP輸出帶來相反的相位梯度，從而為每個極化產(chǎn)生相反的面內(nèi)波矢量。因此，線偏振(LP)太赫茲波入射，可以激活雙偏轉(zhuǎn)通道(圖3a)。采用Stokes參數(shù)對偏振態(tài)的光譜分布進(jìn)行數(shù)值表征，S3表示圓偏振分量的光譜分布，LCP和RCP的窄帶光譜成分分別選擇性地向±39°偏轉(zhuǎn)(圖3b)，而非偏轉(zhuǎn)的光譜成分保持在法向LP。如圖3c所示，通過施加外部電壓，極化分離角可調(diào)至42°，同時(shí)保持光譜和空間選擇性。這種基于LCE的非局域超表面的極化多路復(fù)用和空間解復(fù)用方案，以及用于非視距傳輸?shù)目烧{(diào)諧波束偏轉(zhuǎn)能力，為下一代無線通信提供了很好的解決方案。

圖3 偏振選擇性的實(shí)驗(yàn)表征

該工作的理論、計(jì)算、樣品制備、實(shí)驗(yàn)測試、數(shù)據(jù)分析等工作均由電子與電氣工程系臥龍班本科生龍尚延主要負(fù)責(zé)，由其學(xué)術(shù)導(dǎo)師叢龍慶副教授、羅丹教授以及生活導(dǎo)師沈平講席教授指導(dǎo)完成，電子系博士研究生張偉為共同第一作者。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新局、南方科技大學(xué)高水平專項(xiàng)資金和南方科技大學(xué)分析測試中心等的支持。

審核編輯 黃宇