Small:多维可控太赫兹开关——用于入射角和全光超快调制的双功能时空超表面

太赫兹波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,由于其时空相干性强、光子能量低、传输容量高等优点,在传感、雷达、反恐安全、超高速通信及医学诊断等领域具有广阔的应用前景。目前,高性能的太赫兹动态调制器件发展缓慢,迫切需要发展高效的有源功能器件。超表面由亚波长尺寸的二维微结构按特定排列方式构成,具有损耗低、厚度薄、易集成等优势,在操控电磁波参量上显示了巨大的潜力。将活性材料与超表面相结合,可重构超表面能够对电磁属性实现任意、快速、精准调控,为太赫兹的动态操控提供了全新的解决方案。

在众多操控方法中,光控手段不仅具备无接触、远程可控和结构简单等优点,而且在超快调制速率上展露出独特的优势。现有的研究表明,光控超表面可以实现功能丰富的太赫兹调制,如超快振幅调控、频率捷变和偏振转换等。然而,目前光控太赫兹调制器件功能相对单一,难以实现对电磁信息的多维操控。近年来,时空超表面的提出,开辟了主动可调超材料器件的新篇章,为太赫兹多维操控提供了新的参考范式。

此前,国防科技大学江天研究员团队围绕光控太赫兹多功能超快调制的实现,开展了半导体复合超表面器件的研究。具体包括超快振幅调谐(Nano Energy, 2020, 68, 104280; ACS Photonics, 2021, 8, 771);超快共振频率调谐(Adv. Opt. Mater., 2019, 7, 1970084; Laser Photonics Rev., 2020, 14, 1900338); 瞬态响应时间调谐(Adv. Sci., 2020, 7, 2000799);以及可编程记忆态超快调制(Laser Photonics Rev., 2021, 15, 2000456)。上述工作均体现了光控有源超表面强有力的太赫兹操控能力。

在本工作中,江天研究员团队提出了一种双功能时空太赫兹超表面,在任意波数方向可控的共振态基础上实现了高效、超快的太赫兹调制。实验证明,通过巧妙设计开口相对的分裂谐振环(SRR),在倾斜入射下诱导超表面感应电流异相振荡,导致对称性的破缺从而形成共振模式间的相干耦合。LC模的C2对称性破缺形成EIT模透明窗口,赋予了超表面空间角度可控的电磁共振模式。结合光泵浦太赫兹探测技术,发现半导体材料MoSe2薄片表现出超高光生电导和超快弛豫特性。通过滴涂法,进一步构筑出MoSe2功能化超表面,赋予了超表面超快时间调控特性。在1.55 eV光子注入下,光生载流子屏蔽SRR电容间隙的微尺度空间限域效应,抑制了入射角相关的太赫兹谐振模态。因此,该器件实现了对太赫兹振幅的高效调控,并在亚纳秒时间尺度内完成整个开关周期。进一步的机理分析表明,面外太赫兹波矢分量产生异相振荡SRR感应电流,从而使近场电磁耦合诱导出远场透明窗口。MoSe2薄片不仅可以短路SRR间隙,还可以将异相振荡转变为同相振荡,从而实现LC共振和EIT共振的光控谐振开关。

本工作提出的新型时空超表面,直接展示了超构材料在太赫兹领域的多维操控能力,对超快光开关、波束控制和下一代无线通信具有重要的参考价值。论文第一作者为胡瑜泽博士生,江天研究员为该论文通讯作者。

论文信息:

Bifunctional Spatiotemporal Metasurfaces for Incident Angle-Tunable and Ultrafast Optically Switchable Electromagnetically Induced Transparency

Yuze Hu, Mingyu Tong, Zhongjie Xu, Xiangai Cheng, Tian Jiang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202006489