南京大学成功利用“双面超构表面”实现电磁波双向调控

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力、热、光、声、电、磁等物理特性，从而形成了材料研究的新“范式”。随着电磁超构表面研究的不断深入，人们发现通过极化复用、频率复用等方式可以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，可有效提升超构表面的调控自由度、信息容量，且能够适用于多个应用场景。多功能电磁超构表面在有限空间内可实现多种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，为当前电磁超构材料重点发展方向之一，有望在大容量信息通信、高速信息处理、复杂成像系统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，南京大学电子科学与工程学院冯一军教授团队与新加坡国立大学团队合作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。

该工作运用非对称机制构建有效的双面超构表面功能基元，实现高效的非对称电磁波传输和传播相位的全调控，并通过特定的空间序构方式，实现独立、任意的双向电磁波功能调控。如图1所示，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，而沿后向传播时，该超构表面能呈现出Janus神的左半边像。所设计的电磁超构表面也可实现双向非对称聚焦等新奇电磁功能，实验结果如图2所示。这种方向选择性电磁波辐射、波束形成、聚焦、全息成像等电磁波调控新机制，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，其设计概念和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。

图1 Janus超构表面功能示意图。

图2 Janus超构表面的实验验证。（a）双向电磁波非对称聚焦。（b）双向非对称全息成像。

该工作以“Directional Janus Metasurface”为题，近期发表于国际权威期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.201906352）。南京大学电子科学与工程学院陈克副研究员为论文的第一作者，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，赵俊明教授和姜田教授对本文亦有重要贡献。该工作受到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委项目、江苏省优势学科、江苏省“先进电磁波调控技术”重点实验室的资助。

来源 南京大学新闻网

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906352