南科大本科生在太赫兹超表面领域取得研究进展

近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授丛龙庆研究团队与教授罗丹团队合作报道了基于液晶弹性体的可调太赫兹非局域超表面。该研究利用连续域束缚态(BIC)机理和液晶弹性体(LCE)调制能力，实验验证了兼具高光谱和高空间选择性的太赫兹波束赋形超表面，为下一代无线通信的先进太赫兹器件提供了基础。相关研究成果以“Active Terahertz Nonlocal Metasurfaces With Liquid Crystal Elastomers”为题，发表在光学一区TOP期刊Laser & Photonics Reviews上。

基于太赫兹波的下一代无线通信将满足更高数据速率的需求，超表面展示了在更高频率下操纵电磁波的能力。通过几何相位等引入面内波矢，电磁波前可以自由调制，这是太赫兹无线通信中非视距传输的关键优势。由于几何相位的宽带响应，传统局域超表面已被用于实现宽带范围内波长和角度均色散的光束偏转。然而，这种宽带色散的波前调制缺乏频域和空间域的选择性，从而降低波束赋形质量和增益。最近，基于非局域超表面原理的波前调制提供对频域和空间域波束的高选择性赋形：光谱选择性由连续域束缚态决定，空间选择性与耦合相位及高品质因数光谱有关。

超表面面临的另一个关键挑战是可调性，使其能够响应外部刺激实现可重构功能。在太赫兹波段，主动波束偏转器件作为非视距通信的信号中继尤其重要。先前对主动太赫兹波束超表面的研究主要集中在局域超表面，集成液晶、相变材料等材料。另一种解决方案是使用机械形变材料，其中液晶弹性体表现了卓越的灵活性，还具有易于制造、性能稳定和低成本的特点。因此，基于液晶弹性体的超表面为开发有源器件提供了一个极好的平台，与非局域超表面的集成可以进一步增强光谱和空间选择性，改善信号质量并提升下一代无线通信的能力。

研究团队采用LCE薄膜和铝制微结构实现非局域超表面。与以宽带色散光谱覆盖和广角空间响应为特征的局域超表面相比，非局域超表面支持导模衍生的连续域束缚态，促成了具有高光谱和空间选择性的波束偏转(图1a-b)。单棒谐振器在布里渊区Y点处的光线下方呈现导模，二聚化扰动使实空间中的周期加倍，在倒易空间将导模从Y点折叠到Г点(图1c)。由此产生的折叠模式在连续域中作为典型的对称保护束缚态发挥作用，打破二聚体对称性可以产生由准BIC引起的高品质因数非局域共振。根据基于群论的选择规则分析了耦合输入和耦合输出过程引入的相位调制(图1d)。

图1 非局域超表面的特性及工作原理

研究团队制备了非局域超表面器件，利用太赫兹时域光谱系统测试了不同偏转角度下的时域数据(图2a-b)。角分辨和频率分辨强度谱揭示了被动和主动状态下交叉极化辐射在圆极化基上的空间和光谱分布(图2c)，可以观察到透射的交叉极化组分发生波束偏转，且光谱和空间分布趋于集中。角度分辨光谱展示了非局域超表面的光谱选择性(图2d)，偏转光束在39°处具有22的品质因数;此外，半功率波束宽度为5°，体现了很好的空间选择性(图2e)。

图2 主动非局域超表面的实验结果

非局域超表面还展示了高光谱和空间分辨能力的可调偏振选择性。在左旋圆偏振(LCP)和右旋圆偏振(RCP)入射下，超表面的耦合相位分别给RCP和LCP输出带来相反的相位梯度，从而为每个极化产生相反的面内波矢量。因此，线偏振(LP)太赫兹波入射，可以激活双偏转通道(图3a)。采用Stokes参数对偏振态的光谱分布进行数值表征，S3表示圆偏振分量的光谱分布，LCP和RCP的窄带光谱成分分别选择性地向±39°偏转(图3b)，而非偏转的光谱成分保持在法向LP。如图3c所示，通过施加外部电压，极化分离角可调至42°，同时保持光谱和空间选择性。这种基于LCE的非局域超表面的极化多路复用和空间解复用方案，以及用于非视距传输的可调谐波束偏转能力，为下一代无线通信提供了很好的解决方案。

图3 偏振选择性的实验表征

该工作的理论、计算、样品制备、实验测试、数据分析等工作均由电子与电气工程系卧龙班本科生龙尚延主要负责，由其学术导师丛龙庆副教授、罗丹教授以及生活导师沈平讲席教授指导完成，电子系博士研究生张伟为共同第一作者。

该工作得到了国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础研究基金项目、广东省量子科学战略专项项目、深圳市科技创新局、南方科技大学高水平专项资金和南方科技大学分析测试中心等的支持。

审核编辑 黄宇