Advanced Functional Materials:基于非线性技术的可定制非互易电磁超表面

电磁波是世界互联的纽带,也为世界带来绚烂色彩。从凸透镜聚光取火,到无线电远程通讯,再到射电望远镜探测遥远星空,人类依赖电磁波,也渴望自由操控电磁波。一百多年来,对电磁波的操控和利用极大地推动了人类文明的快速发展。

进入21世纪以来,具有非自然电磁性能的超材料为电磁波操控打开了广阔世界。为满足低损耗、高集成化的要求,具有低剖面优势的二维超表面应运而生,成为操控电磁波的先进手段之一。一个常规超表面的电磁特性满足互易定理,这意味着沿正反两个方向通过超表面的电磁波将获得相同的响应。而在电磁信号隔离、电磁能量防护等非对称应用场景中,人们需要打破这种互易性,希望超表面对入射方向相反的电磁波呈现完全不同的响应。近年来,研究者们提出了许多适合超表面集成的无磁非互易技术,其中非线性是一类重要的实现方法。目前,绝大多数非线性非互易超表面都基于Fano谐振原理,依赖于电磁波与超表面非对称结构的谐振作用,原理简单、实现成本较低。但不足之处是对入射波的强度要求高,工作带宽较窄,且其电磁响应常常出现非线性滞后现象,即电磁性能与入射波强度的历史值有关,因而带来不稳定的性能输出。另外,作为一种无源器件其功能固化,难以做到实时灵活调控,因此应用场景受限。

针对以上问题,东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军课题组提出基于“模拟-数字-模拟”架构的新型非线性机制,实现了一种具有可定制非互易传输性能的数字超表面。通过数字化操作,用户可根据需求在超表面集成多种非互易电磁功能,并能实时完成功能切换。相关成果以“Digital nonlinear metasurface with customizable nonreciprocity”为题发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906635),博士后罗章杰为论文第一作者,崔铁军教授为唯一通讯作者。

在该工作中,数字非互易超表面由电可调透射表面、电磁波探测模块以及数字控制模块构成。研究者在实验中用同一块超表面样品实现了包括电磁二极管、单向电磁波限幅在内的多种非互易传输功能,并验证了这些功能的方向翻转特性和触发强度阈值的可调控特性。这些功能预先加载于数字控制模块中,用户通过按压模块上的按键即可实时切换不同的非互易功能。除此之外,基于非谐振的非线性机制,该非互易超表面具备较宽的工作频带;得益于数字化控制优势,该超表面有效避免了无源非线性非互易超表面的滞后响应缺陷,因而显示出可预测的电磁响应。此研究为非互易电磁波操控提供了高稳定、低成本的新途径,有望在单向信号隔离、微波脉冲保护等场景获得应用。