圖.a 超表面單元結(jié)構(gòu)的構(gòu)型和對稱性示意圖;b 完全對齊時樣品的對稱遠場極化分布;c 偏移量為0.4μm樣品的非對稱遠場極化分布;d 偏移量為0.4μm樣品的掃描電子顯微鏡圖，比例尺：1μm;e 偏移量為0.4μm樣品的角分辨透射光譜;f 非對稱輻射強度隨偏移量的變化;g 非對稱輻射強度隨入射角的變化;h 文章封面圖。

非對稱輻射是電磁波在微納尺度亞波長結(jié)構(gòu)(如光子晶體、超表面等)中相反傳播方向上表現(xiàn)出的振幅和相位差異性，通過打破光學(xué)超表面空間對稱性實現(xiàn)的非對稱輻射因其豐富的物理內(nèi)涵和在微納光學(xué)器件中的廣闊前景而備受關(guān)注。然而，通常光學(xué)超表面實現(xiàn)的非對稱輻射表現(xiàn)為器件兩側(cè)的輻射差異，而受限于納米結(jié)構(gòu)的空間可控性，在超表面同一側(cè)實現(xiàn)非對稱輻射仍頗具挑戰(zhàn)性，亟需系統(tǒng)的機制探討和創(chuàng)新的調(diào)制策略，推動非對稱輻射在微納光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心微加工實驗室李俊杰團隊長期聚焦于微納光子學(xué)器件加工、設(shè)計及功能集成方面的研究，并在主動調(diào)控超透鏡(Nat. Commu. 2023)、可編碼光子路由超表面(Aad. Funct. Mater. 2024)、內(nèi)稟雙折射手性超表面(Phy. Rev. Lett. 2025)等方面取得重要進展。最近，該團隊在雙層超表面的設(shè)計和可控加工上開展研究，利用對準套刻工藝獲得了層間距、層間偏移等雙層結(jié)構(gòu)的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確控制，為實現(xiàn)單側(cè)非對稱輻射的超表面奠定了基礎(chǔ)。

基于雙層納米結(jié)構(gòu)的套刻加工工藝，團隊設(shè)計并加工了一種兩層結(jié)構(gòu)完全相同的雙層超表面，每層結(jié)構(gòu)均由二氧化鈦納米圓盤按照六方晶格排列構(gòu)成，每層結(jié)構(gòu)都具有面內(nèi)C2對稱性(圖a)。理論分析表明，通過偏移同時打破雙層超表面的面外鏡面對稱性和面內(nèi)C2對稱性，實現(xiàn)對于動量空間中遠場偏振態(tài)的調(diào)控，面內(nèi)波矢k||和-k||在動量空間從相同的遠場偏振態(tài)(圖b)變?yōu)椴煌?圖c)，表現(xiàn)為位于雙層超表面同側(cè)，相反角度入射時的光輻射差異，即單側(cè)非對稱輻射。制備的雙層超表面樣品(圖d)，在角分辨微區(qū)光譜儀測試中成功觀察到單側(cè)非對稱輻射現(xiàn)象(圖e)。定義相反角度入射時的透射率差為單側(cè)非對稱輻射強度，進一步分析了單側(cè)非對稱輻射強度隨偏移量(圖f)和入射角度(圖g)的變化趨勢。在x方向偏移量為0.4μm，入射角度為±10°時，獲得最大單側(cè)非對稱輻射強度為0.1。團隊所提出的單側(cè)非對稱輻射機制，本質(zhì)上是通過打破對稱性，調(diào)控其遠場偏振態(tài)，實現(xiàn)相對角度光輻射的差異，是對非對稱輻射類型和調(diào)控方法的重要補充，有助于一系列納米光學(xué)器件如單向激光發(fā)射器的設(shè)計。

該工作以“Unilateral Asymmetric Radiation in Bilayer Metasurfaces”為題，于2025年4月24日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，并被選為Inside Front Cover(圖h)。微加工實驗室碩士生譚俊豪為第一作者，李俊杰研究員、潘如豪和王博副研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃和北京市科技計劃等項目及懷柔綜合極端條件實驗裝置的支持。

審核編輯 黃宇