Advanced Materials:利用“双面超构表面”实现电磁波双向独立调控

在电磁环境复杂化、通信系统小型化的趋势下,传统的材料及其电磁波调控器件已很难满足日益增长的发展需求。超构表面通过人工设计的功能基元及其空间序构方式来构筑新材料,可实现许多自然材料所不具备的新奇超常物理特性,为当前国际新兴的研究热点。随着电磁超构表面研究发展,人们发现通过极化复用、频率复用等方式可实现电磁调控功能的扩展与叠加,进而形成多功能电磁超构表面。相比于单一功能的电磁超构表面,多功能电磁表面在维持亚波长厚度的同时,可以有效地提升超构表面的调控自由度、信息容量等。多功能电磁超构表面能够在有限空间内实现电磁调控功能的集成化设计,因而在系统和器件小型化方面具有优势,有望在解决大容量通信、高速信息处理等应用中发挥重要作用。但是,就目前而言,电磁波传播方向这一固有特性还未得到有效地利用,以实现依赖传播方向的多功能电磁器件。

近日,来自南京大学和新加坡国立大学的研究团队将方向选择性电磁波调控融入电磁超构表面设计中,创新性地提出了双面超构表面(Janus metasurface)的概念与设计方案,实现了复杂、独立、解耦式的双向电磁波调控功能。在该工作中,作者首先针对超构表面实现非对称电磁波能量以及相位调控进行了理论分析,并利用多层旋转结构构建了有效的双面超构表面功能基元,实现了高效的非对称电磁波传输和传播相位的全调控。在此基础上,作者通过优化设计空间序构方式排布超构表面单元,进而使超构表面能够有选择性地对不同传播方向的电磁波实现不同的相位调制功能,从而最终实现独立、任意的双向电磁波功能调控。图1为该双面超构表面的功能示意图,所设计的超构表面能实现具有方向选择性的双全息成像,当入射电磁波沿前向传播时,该超构表面能够在自由空间中呈现出古罗马Janus神(双面神)的右半边像,而当入射电磁波沿后向传播时,该超构表面能呈现出Janus神的左半边像。在理论分析和功能单元设计基础上,作者设计了一系列电磁波调控表面来验证双面超构表面概念以及方案设计的有效性,如单向异常折射、单向透射聚焦、双向非对称聚焦,以及双面非对称全息成像等。

图1 Janus超构表面功能示意图。

该研究成果将方向选择性电磁波控制与超构表面融合设计,探索了“双面”非对称辐射、波束形成、聚焦、全息成像等电磁波调控新机制。该技术在低成本、小型化通信和探测成像等现代信息系统中的具有重要应用前景,其概念和设计方法还可进一步拓展到太赫兹、红外和可见光领域,实现小型、高效的双向光学镜片和成像系统,应用前景广阔。

相关工作以“Directional Janus Metasurface”为题,发表于学术期刊《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.201906352)。南京大学副研究员陈克为论文的第一作者,冯一军教授与新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通信作者,南京大学赵俊明教授和姜田教授、美国City University of New York的Andrea Alù教授也参与了工作。