研究人员使用“超分子”实现有源超表面设计

有源超表面，用纳米结构或“超原子”修饰的平面光学元件，经过一些专门设计以允许动态可调的光控制和操纵，最近已成为超材料设计的前沿领域。在该纳米级材料研究领域中的一个前沿是，如何同时独立地调制光的相位和幅度。

目前，韩国和美国的一个研究团队提出了一种设计和构建波前的有源超表面的方案，该有源超表面允许对相位和幅度进行电子调谐（ACS Nano，doi：10.1021 / acsnano.9b09277）。该团队的方法（到目前为止，仅在数值上和中红外方面进行了测试）从根本上取决于对这样的超表面的改变，即不是由超原子组成的集合，而是包含一些更为复杂的“分子”。研究人员认为，这种有源表面可以应用于全息术和激光雷达的光束转向，以及可变焦平板透镜等系统。

走向有源超表面

波前整形技术对成像，微处理，通信和其他领域的一系列技术构成了基本需求，而这一需求催生了实现该技术的一系列工具，其中包括大体积元件，调制器和MEMS器件。在过去的几十年中，超表面已经进入了波前研究的工程领域。其中大多数是所谓的无源超颖表面，其中波前操纵的详细信息在材料制造时即已加入，无法进行动态调整。

近年来，研究人员越来越多地注视着新一代所谓的动态可调超表面。在这些器件中，使用电子可调材料（例如氧化铟锡或2D材料石墨烯）形成具有纳米级超原子；相变材料；热光调谐硅；或其他动态可重新配置的元素的超表面结构的。

但是，创建这些有源超表面的一个挑战在于控制整个复杂的幅度空间，即将幅度和相位都调制为独立参数。这是因为大多数超表面仅包含一种类型的超原子，可对其进行调整以优化特定类型的光学共振。调制散射光的相位不可避免地会改变其散射幅度，从而限制了独立控制两个参数的能力。

从超原子到超分子

超表面设计图和数值实验结果。在数值仿真中，涉及两个不同石墨烯亚原子的结构允许对入射光场的相位（右上）和振幅（右下）进行独立调制。

由韩国先进科学技术研究院（KAIST）的Min Seok Jang带领，并由KAIST，美国威斯康星大学和美国明尼苏达大学的其他科学家组成的团队进行了设计有源超表面的方法，可以同时且独立地调制相位和幅度。为此，他们使用了著名的2D石墨烯材料作为可启用的可调平台。他们研究的设计不是使用超原子，而是使用更复杂的超分子。

特别地，该小组设想了一个由两个超原子的大分子的周期性阵列组成的超表面，该分子由不同宽度的石墨烯条组成。产生强烈等离子体共振的石墨烯带将成为调制入射中红外（7 µm）光的复振幅的关键元素。围绕石墨烯元素的是纳米级的金带，它将提供局部场的其他等离子体增强。该阵列将放置在SiO2衬底的顶部，并由另一个衬底支持，该反射的金层进一步增强了顶层中的光与物质相互作用。

除了提供光场增强之外，金属结构还提供了一种途径，用于独立地将高分子中的两种类型的石墨烯间原子电子连接起来。进而，通过施加不同的门控电压，从而分别调节不同的亚原子中的费米能级，从而可以独立控制两个亚原子的等离子体响应。用作者的话说，这提供了“独立调制反射光的幅度和相位所必需的两个自由度。”

光束转向和全息

该团队对其主动元表面设计进行了数值实验，以展示其在两种应用环境中从点源动态重定向和重构波前的能力。其中之一是主动式光束转向，例如可用于汽车激光雷达的微型集成部件中。研究小组的仿真结果表明，该设计“与传统的空间光调制器不同”，在不使用外部光学器件进行放大的情况下，将光束转向广角。

另一个应用是全息波前计算和光束聚焦重建。在这种情况下，能够同时调整模拟设备的幅度和相位的能力允许“仅在超颖表面上方的单个波长处生成清晰紧凑的焦点”。

当然，到目前为止，这些方案仅在计算机模拟和中红外中实现。但是研究小组认为，它的方法可以为设计有源超颖表面提供一个框架，同时还可以在其他波段完全控制复振幅。研究人员认为，该框架可以加速此类表面在一系列应用中的使用，包括激光雷达的光束转向器，可变焦平板透镜和实时全息术。作者还提出了一种图形方法和“基于电路”的模型，该模型使这种基于大分子的超表面设计更加直观。