近日，南方科技大學電子與電氣工程系副教授叢龍慶研究團隊與教授羅丹團隊合作報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)機理和液晶彈性體(LCE)調(diào)制能力，實驗驗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，傳統(tǒng)局域超表面已被用于實現(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，使其能夠響應外部刺激實現(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。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一步增強光譜和空間選擇性，改善信號質(zhì)量并提升下一代無線通信的能力。

研究團隊采用LCE薄膜和鋁制微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)非局域超表面。與以寬帶色散光譜覆蓋和廣角空間響應為特征的局域超表面相比，非局域超表面支持導模衍生的連續(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點處的光線下方呈現(xiàn)導模，二聚化擾動使實空間中的周期加倍，在倒易空間將導模從Y點折疊到Г點(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束縛態(tài)發(fā)揮作用，打破二聚體對稱性可以產(chǎn)生由準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

研究團隊制備了非局域超表面器件，利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)測試了不同偏轉(zhuǎn)角度下的時域數(shù)據(jù)(圖2a-b)。角分辨和頻率分辨強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驗結(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用和空間解復用方案，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 偏振選擇性的實驗表征

該工作的理論、計算、樣品制備、實驗測試、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責，由其學術(shù)導師叢龍慶副教授、羅丹教授以及生活導師沈平講席教授指導完成，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基金項目、廣東省基礎(chǔ)與應用基礎(chǔ)研究基金項目、廣東省量子科學戰(zhàn)略專項項目、深圳市科技創(chuàng)新局、南方科技大學高水平專項資金和南方科技大學分析測試中心等的支持。

審核編輯 黃宇