采用低损耗光学相变材料的电可重构超表面

      超表面是一种由亚波长尺度天线或“超原子”阵列构成的平面电磁人工介质，被广泛认为是一种很有前景的平台，与传统的体材料在尺寸、重量、功率和成本效益上相比，它拓展了光学元件的潜力。有源超表面，其光学响应可以动态调节，进一步为灵活操纵光传播和与物质的相互作用提供了更多的机会。到目前为止，超表面的有源主动调谐利用了机械变形、电化学或化学反应、电光和热光效应以及相变介质等。特别是，基于硫系合金的相变材料（PCM）由于其结构转变所赋予的巨大折射率反差有助于实现广泛的光学相位调谐，因此在实现相位梯度有源超表面方面具有独特的优势。虽然PCM的电寻址在相变随机存取存储器中已经是一种成熟的技术，但是与当今的大规模相变随机存取存储器相比，光学器件所必需的更大的器件面积对大面积的开关均匀性提出了更严格的要求。这一技术挑战集中体现在丝状化现象上：最初结晶的PCM细线成为导电性大大高于周围非晶基体的电流导管，阻止整个PCM体积的均匀结晶。丝状化阻止了直接通过PCM的电流切换。

       最近，来自美国麻省理工学院（MIT），马萨诸塞大学洛厄尔分校（University of Massachusetts Lowell）和中佛罗里达大学（University of Central Florida）等单位的研究人员为了应对这一挑战，提出了一个大面积，基于电热开关的PCM可重构的超表面。工作在三个重要方面实现了突破：1.使用了最先进的PCM，Ge2Sb2Se4Te（GSST）体系。与目前流行的GeSbTe合金相比，GSST一方面在不同结构状态下的宽带高透明性减轻了光学损耗，另一方面实现了巨大的光学对比度和调谐范围；2.展示了覆盖半倍频程光谱区域的PCM超表面的压控多态调谐；3. 实现了大面积（高达0.4 × 0.4 mm2）均匀的电热开关，这预示着拓扑优化设计将朝着有源超表面方向发展。相关研究工作以“Electrically reconfigurable non-volatile metasurface using low-loss optical phase-change material”为题发表在《Nature Nanotechnology》上。（鲁强兵）

       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00881-9#Sec2