太赫茲波段在高速無線通信、高級加密和醫(yī)療成像等下一代技術(shù)中具有巨大應(yīng)用潛力。然而由于太赫茲波與大多數(shù)天然材料相互作用較弱，對其調(diào)控長期面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。

過去二十年間，研究者逐漸轉(zhuǎn)向超表面技術(shù)應(yīng)對這一難題。這種經(jīng)精密設(shè)計(jì)的超薄材料能呈現(xiàn)特殊電磁特性，為太赫茲波調(diào)控提供全新解決方案。理想狀態(tài)下，用于加密和全息成像的太赫茲超表面應(yīng)具備易配置、響應(yīng)可外部調(diào)節(jié)的特性。但現(xiàn)有可調(diào)超表面系統(tǒng)往往依賴笨重或低能效的調(diào)控方式(如外部溫控)，且全息信息采集通常采用緩慢的近場掃描系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)真正實(shí)時操作，制約了動態(tài)顯示與可逆加密等實(shí)用化發(fā)展。

在此背景下，由上海理工大學(xué)陳麟博士和香港城市大學(xué)雷黨愿教授組成的研究團(tuán)隊(duì)，成功研制出新型電控可調(diào)太赫茲全息超表面。其發(fā)表于《先進(jìn)光子學(xué)》的研究采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過挖掘二氧化釩(VO2)獨(dú)特性質(zhì)，顯著降低能耗與響應(yīng)時間。

不同于多數(shù)過渡金屬氧化物，二氧化釩在68℃低溫下即可實(shí)現(xiàn)絕緣體-金屬相變。這種可逆相變使材料能動態(tài)調(diào)控太赫茲波的"透射率"。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的微梯結(jié)構(gòu)以金線為"扶手"，二氧化釩間隙為"梯級"，當(dāng)電流通過梯級單元時，電阻熱效應(yīng)引發(fā)的局部溫變可使二氧化釩快速實(shí)現(xiàn)相變，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的太赫茲響應(yīng)調(diào)控。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證微梯超表面設(shè)計(jì)與可調(diào)性后，團(tuán)隊(duì)演示了其在全息成像與加密領(lǐng)域的應(yīng)用。通過動態(tài)像素(含VO2)與靜態(tài)像素(無VO2)的組合，成功將字符全息編碼至超表面。破譯該字符需在施加特定電流的同時觀測太赫茲波透射情況，為此研究人員采用太赫茲焦平面成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速圖像采集。

電控“梯形”太赫茲調(diào)制器的仿真和實(shí)驗(yàn)演示

該超表面在耐久性與復(fù)現(xiàn)性方面表現(xiàn)優(yōu)異：連續(xù)工作數(shù)十小時后圖像質(zhì)量保持穩(wěn)定，成像距離微小變化幾乎不影響性能。研究負(fù)責(zé)人陳麟表示："微梯超表面切換全息圖像的動態(tài)響應(yīng)時間僅需4.5秒，全動態(tài)像素配置下甚至可縮短至2秒。這種速度與穩(wěn)定性為實(shí)時光學(xué)加密、防偽及下一代無線通信奠定基礎(chǔ)。"

熱力學(xué)分析證實(shí)該超表面可在3秒內(nèi)完成完全相位切換，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測高度吻合。這項(xiàng)研究為可調(diào)太赫茲超表面發(fā)展提供寶貴設(shè)計(jì)思路：微梯結(jié)構(gòu)結(jié)合太赫茲焦平面成像系統(tǒng)，兼具易集成、低功耗(約0.8瓦)、主動調(diào)制與實(shí)時操作等優(yōu)勢。香港城市大學(xué)與創(chuàng)科電子有限公司團(tuán)隊(duì)計(jì)劃持續(xù)研發(fā)電控太赫茲技術(shù)，后續(xù)將重點(diǎn)提升熱管理性能并實(shí)現(xiàn)像素級精準(zhǔn)調(diào)控，以釋放可調(diào)太赫茲超表面的全部潛力。

審核編輯 黃宇