王金金，朱邱豪，董建峰

寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211

1 引 言

超材料(Metamaterials,MTMs)是由亞波長金屬/介電微結(jié)構(gòu)(例如，超原子)在空間中按照一定周期性或非周期性構(gòu)造而成的人工材料，由于其特殊的操縱電磁波的能力，在過去幾十年里引起了人們強(qiáng)烈的研究興趣。為了克服結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大、損耗較大(尤其是在光學(xué)領(lǐng)域)、不利于實(shí)際應(yīng)用的問題，人們提出由平面人工原子構(gòu)成的超薄 MTMs— 超表面(metasurface)[1]。超表面在信息、通信、國防、能源、超分辨成像、全息顯示、傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]，因此超表面成為了物理、材料、信息科學(xué)以及相關(guān)交叉學(xué)科的研究熱點(diǎn)。

手征(Chiral)是一個幾何上的概念，即一個物體缺乏對稱性，不能通過旋轉(zhuǎn)與其鏡像重合。近年來，由手征單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的手征超表面因其具有令人感興趣的性質(zhì)，如圓二色性和旋光性[4]、不對稱傳輸[5]、負(fù)折射率[6]而引起了人們極大的研究熱情。這些手征超表面，具有比自然界中的手征材料高幾個數(shù)量級的旋光性和圓二色性等性質(zhì)，而且負(fù)折射率性質(zhì)不需要負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)介電常數(shù)就能達(dá)到。

目前，人們已經(jīng)對手征超表面的手征光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了廣泛的研究，但隨著手征超表面研究的快速發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到一般手征超表面在實(shí)際應(yīng)用中缺乏可調(diào)諧性。因此，許多科學(xué)家一直致力于研究可調(diào)諧/可重構(gòu)的手征超表面，可以在外部調(diào)諧時主動控制電磁波，如傳感[7]、太赫茲(THz)區(qū)域的圓二色性開關(guān)[8-9]、偏振器[10-11]、自旋解析探測器[12]等各種光子學(xué)器件。通過在手征超表面設(shè)計中加入可調(diào)諧材料如相變材料(phase-change materials，PCMs)、石墨烯、單層黑磷(BP)、液晶、透明導(dǎo)電氧化物、半導(dǎo)體、聚合物等，可以實(shí)現(xiàn)手征可調(diào)諧/可重構(gòu)的超器件，其功能受外部激發(fā)控制。在可調(diào)諧介質(zhì)手征超表面結(jié)構(gòu)中，手征超表面電磁特性的調(diào)諧一般與介電共振相關(guān)[13]，由于加入可調(diào)諧材料的電磁效應(yīng)不同，使得各種可調(diào)諧材料的有效電磁參數(shù)可以獨(dú)立地、任意地控制，使手征超表面可以表現(xiàn)出一些自然界無法實(shí)現(xiàn)的奇異特性，如負(fù)折射率調(diào)諧、圓二色性和旋光性調(diào)諧、不對稱傳輸特性調(diào)諧等。

手征特性可調(diào)諧這一特性也使得手征超表面在一定程度減少了某些超表面制作復(fù)雜、功能單一、帶寬窄的通病，也更利于集成芯片和實(shí)際應(yīng)用。本文對利用相變材料(PCMs)、石墨烯、單層黑磷(BP)等新型材料來實(shí)現(xiàn)手征超表面的可調(diào)諧電磁特性，如負(fù)折射率、圓二色性和旋光性、不對稱傳輸?shù)淖钚卵芯窟M(jìn)展進(jìn)行綜述，最后給出了對于可調(diào)諧手征超表面未來發(fā)展的一些個人看法。

2 理論基礎(chǔ)

負(fù)折射性質(zhì)指的是光波在介質(zhì)表面發(fā)生折射時，折射波和入射光在法線的同一側(cè)。當(dāng)任意一個線偏振光進(jìn)入手征超表面時，就會被分解為左旋圓偏振(LCP)波和右旋圓偏振(RCP)波，這兩種波在手征介質(zhì)中的折射率不同，導(dǎo)致透射波相比于入射波的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而顯示出旋光性(optical activity，OA)，若左旋圓偏振波和右旋圓偏振波透過率不同，則顯示出圓二色性(circular dichroism，CD，用CCD表示)，RCP波和LCP 波的傳輸特性可以用瓊斯矩陣表示[14]：

其中：下標(biāo)‘+’和‘-’分別表示RCP 和LCP 波，I為入射波振幅，T為透射波振幅。t++和t--表示RCP 和LCP波的傳輸系數(shù)，而t+-和t-+表示RCP 和LCP 波之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。旋光性和圓二色性分別由下面公式來表征：

不對稱傳輸則是指對某一偏振波來說前向傳輸和后向傳輸?shù)耐干渎什煌?，也可稱為圓轉(zhuǎn)換二色性(CCD)，可以用不對稱傳輸參數(shù)Δ表示：

常規(guī)的手征超表面一旦被制造出來，其電磁特性也隨之被固定，通過在手征超表面設(shè)計中加入可調(diào)諧材料可以實(shí)現(xiàn)電磁特性受外部激發(fā)控制的可調(diào)諧手征超表面，一些常見的外部激發(fā)類型是機(jī)械力、熱、光場、磁場和電場[13]。

3 負(fù)折射率可調(diào)

負(fù)折射率超表面由于其不尋常的電磁特性引起了廣泛關(guān)注，特別是可以通過金屬-介質(zhì)-金屬(MDM)納米孔陣列結(jié)構(gòu)獲得負(fù)折射，在2005 年首次提出將MDMs 嵌入納米孔陣列來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率[15]，是光學(xué)負(fù)折射率最早的例子之一，但是不具有可調(diào)性。由于相變材料在相變期間介電常數(shù)變化很大，并且相變可以通過熱誘導(dǎo)，加入相變材料成為調(diào)諧手征超表面負(fù)折射率特性的重要途徑。2013 年，Cao 等[16]提出并數(shù)值分析了相變材料(Ge2Sb1Te4)嵌入在MDM 中的橢圓納米孔陣列(ENAs)的可調(diào)光學(xué)特性，證明了利用Ge2Sb1Te4非晶和晶態(tài)之間切換使介電常數(shù)發(fā)生改變，可以在中紅外(M-IR)光譜區(qū)域獲得較大的負(fù)折射率可調(diào)性。這項工作所提出的結(jié)構(gòu)也可以延申至整個可見光和紅外波段工作。

2018 年，Li 等[17]從理論上研究了一種在THz 區(qū)域具有負(fù)折射率(NRI)的熱可調(diào)諧寬帶超表面，如圖1(a)所示，通過調(diào)節(jié)溫度動態(tài)地調(diào)節(jié)InSb 的傳導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率的連續(xù)寬帶可調(diào)諧。從圖1(b)可以看出THz 折射波(紅色箭頭線)和THz 入射波在表面法線的同一側(cè)，直接觀察到NRI 的行為。與Ge2Sb1Te4類似，VO2同樣能夠與手征超表面結(jié)合實(shí)現(xiàn)對負(fù)折射率的動態(tài)調(diào)控。Ling 等[18]提出了一種由對稱十字和熱敏VO2組成的超表面，相位和負(fù)折射等特性通過控制溫度表現(xiàn)出實(shí)時響應(yīng)。同年，他們[19]還提出了一種由兩個鋁環(huán)和兩個光敏環(huán)形硅孔組成的光學(xué)可調(diào)諧負(fù)折射率超表面(NIM)，當(dāng)硅的電導(dǎo)率增加時，NIMs 的傳輸由低通調(diào)諧到高通，NIMs 的負(fù)折射率表現(xiàn)為動態(tài)可調(diào)特性，如圖1(c)，1(d)所示。

除了上述熱調(diào)諧，通過電誘導(dǎo)調(diào)諧負(fù)折射率已廣泛用于可調(diào)諧手征超表面，其中石墨烯具有高導(dǎo)電性，性能優(yōu)異。2019 年，Luo 等[20]提出了一種基于石墨烯的THz 可調(diào)諧負(fù)折射率超表面，由金屬共振結(jié)構(gòu)和嵌入石墨烯組成，通過調(diào)節(jié)嵌入石墨烯的化學(xué)勢，在相應(yīng)的波段呈現(xiàn)動態(tài)負(fù)折射率，為可控負(fù)折射率材料的實(shí)際應(yīng)用提供了一個經(jīng)典案例。

2020 年，Iwai 等[21]通過實(shí)驗(yàn)和理論計算了一種由等離子體陣列和負(fù)磁導(dǎo)超材料構(gòu)成的可調(diào)諧雙負(fù)器件，通過控制等離子體管內(nèi)的電子數(shù)密度來動態(tài)調(diào)節(jié)透射特性，實(shí)現(xiàn)了一種可調(diào)的負(fù)折射率器件。Sorathiya等[10]數(shù)值研究了一種基于有效負(fù)折射率的主動可調(diào)平方型石墨烯開環(huán)遠(yuǎn)紅外光譜共振器，如圖2(a)所示。負(fù)折射率的調(diào)諧也是通過改變石墨烯的不同化學(xué)勢來控制的，而這種化學(xué)勢可以通過外部來控制，如圖2(b)所示，該結(jié)構(gòu)在0.1 eV 到0.9 eV 的不同化學(xué)勢下，在1 THz 到2.5 THz 的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生多個共振頻帶，在每一個諧振點(diǎn)上，都可以觀察到高的負(fù)折射率。

4 圓二色性和旋光性可調(diào)

圖1 (a) 楔形棱鏡的模擬結(jié)構(gòu)[17]；(b) 楔形結(jié)構(gòu)在兩種不同的頻率0.6 THz 和1.1 THz 處的電場分布；(c) 可調(diào)NIMs 的單元結(jié)構(gòu)[19]；(d) NIMs 的負(fù)折射Fig.1 (a) The wedge-shaped prism simulation structure[17];(b) The electric field distributions of the wedge structure at two different frequencies of 0.6 THz and 1.1 THz;(c) Schematic illustration of a unit cellof the tunable NIMs[19];(d) The negative refraction of the NIMs

圖2 (a) 偏置結(jié)構(gòu)石墨烯分裂環(huán)諧振器(GSRR)原理圖[10]；(b) GSRR 對TE 法向入射波的透射和反射偏振響應(yīng)的示意圖Fig.2 (a) Schematic of graphene split ring resonator (GSRR) with biasing configuration[10];(b) Transmission and reflection polarization response of the GSRRs for the TE normal incidence wave

除了負(fù)折射率之外，手征超表面還具有很強(qiáng)的圓二色性和旋光性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于光學(xué)、分析化學(xué)和分子生物學(xué)等領(lǐng)域[22]。研究人員對圓二色性和旋光性可調(diào)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了大量的工作，提出并研究了幾種可調(diào)諧材料。

4.1 相變材料

通過使用相變材料設(shè)計結(jié)構(gòu)單元是一個有效調(diào)諧圓二色性和旋光性的方法，而硫系相變材料鍺-銻-碲化合物(Ge-Sb-Te，GST)因?yàn)槠涔鈱W(xué)性質(zhì)在非晶態(tài)-晶態(tài)相變前后會經(jīng)歷急劇的變化，而且具有極快的相變速度，因此基于GST 的超表面已經(jīng)成為光子學(xué)和光電子學(xué)中的一個新興研究領(lǐng)域。2013 年，Cao 等[23]用數(shù)值模擬方法研究了具有希臘十字形共振器的金屬-介質(zhì)GST225(Ge2Sb2Te5)-金屬手征超表面，隨后，他們[24]通過傾斜由橢圓納米孔陣列(ENA)組成的外在手征超表面，數(shù)值演示了一個多波段圓二色性(CD)調(diào)諧，如圖3(a)所示。當(dāng)GST225 的狀態(tài)從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，CD 光譜可以在從近紅外(NIR)到中紅外(MIR)的大范圍內(nèi)進(jìn)行主動調(diào)諧，如圖3(b)所示，但這些都只是數(shù)值模擬的結(jié)果。2015 年，Yin 等[25]通過把GST326(Ge3Sb2Te6)夾在中間，用堆積的金屬納米棒構(gòu)成兩種對應(yīng)異構(gòu)體構(gòu)型，如圖3(c)所示。數(shù)值模擬并從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了工作在中紅外區(qū)的第一個可調(diào)諧手征超表面，如圖3(d)所示。通過GST326 在非晶態(tài)(較亮的曲線)和晶態(tài)(較暗的曲線)之間變化引起的大折射率改變，透射率和CD 在4.1 μm～4.9 μm 光譜范圍內(nèi)發(fā)生改變。

圖3 (a) 工作原理圖[24]；(b) θ=φ=45°時非晶態(tài)和晶態(tài)的CDtran光譜；(c) 主動可調(diào)手征的相變超材料[25]；(d) 模擬和測量的透射率和CD 光譜Fig.3 (a) Schematic of the operation concept[24];(b) The CDtranspectra for both amorphous and crystalline states under θ=φ=45°;(c) A phase transition metamaterial with actively adjustable chirality[25];(d) Simulated and measured transmittance and CD spectra

近年來，相變材料VO2被用于設(shè)計超表面全吸收器、熱開關(guān)、電光開關(guān)和THz 區(qū)域的圓二色性開關(guān)，2019 年，Mandal 等[9]提出了一種基于金屬和金屬-VO2雜化的新型手征結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示，并利用時域有限差分(FDTD)對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了可見光-近紅外波段的寬頻帶多共振圓二色性(CD)。2020 年，Gao 等[26]實(shí)驗(yàn)和仿真了一種能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)手征的VO2嵌入超表面，具體地說，通過改變激光功率和超表面上的輻照位置，VO2在輻照區(qū)發(fā)生相變，并產(chǎn)生可調(diào)諧的圓二色性效應(yīng)，如圖4(b)所示。

4.2 石墨烯

石墨烯是一種具有高導(dǎo)電性、寬帶電光特性和穩(wěn)定的耐化學(xué)性的材料，通過向石墨烯層施加外部電壓，可以調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級，因此可以改變其光學(xué)性質(zhì)。2016 年，Wang 等[27]利用石墨烯雙層分裂環(huán)(BSRs)產(chǎn)生可調(diào)圓二色性(CD)，CD 的調(diào)諧是通過不斷改變石墨烯的柵極電壓來改變石墨烯的費(fèi)米能級而產(chǎn)生的，通過交換開環(huán)的柵極電壓，可以逆轉(zhuǎn)CD，如圖4(c)所示。

2017 年，Kim 等[28]通過實(shí)驗(yàn)證明了一種電可調(diào)諧的手征超表面，如圖5(a)所示，在不改變LCP 傳輸?shù)那闆r下，通過改變施加的電壓可以顯著改變RCP 波和LCP 波的傳輸，獲得了高達(dá)45 dB 的大CD 值，如圖5(b)所示，但不可避免地存在高損耗問題。2018 年，Huang 等[29]數(shù)值研究了由一種新型電可調(diào)的可調(diào)諧超表面，由一層黃金開口環(huán)諧振器(SRR)和一層石墨烯光柵組成，如圖5(c)所示，通過改變石墨烯的費(fèi)米能級，可以動態(tài)調(diào)整CD，最大CD 達(dá)到了13%左右，如圖5(d)所示。

圖4 (a) 平面手征匕首狀結(jié)構(gòu)熱控制原理圖[9]；(b) 基于VO2的超表面原理圖[26]；(c) 模擬BSR 的CD 差異[27]Fig.4 (a) Schematic view of a planar chiral dagger-like structure with thermal control[9];(b) Schematic view of the VO2based metasurface[26];(c) Simulated difference of CD of the BSR[27]

圖5 (a) 單元結(jié)構(gòu)[28]；(b) CD 和OA；(c) 手征超材料的三維示意圖[29]；(d) 具有不同費(fèi)米能級的混合結(jié)構(gòu)的CD 譜；(e) 石墨烯超表面示意圖[33]Fig.5 (a) Illustration of the unit cell[28];(b) CD and OA;(c) 3D schematic view of the chiral metamaterial[29];(d) CD spectra of the hybrid structure with different Fermi energies;(e) A schematic illustration of a graphene metasurface[33]

2019 年，Vila 等[30]研究了一個改進(jìn)的Haldane 模型的光吸收偏振依賴關(guān)系，該模型在存在樣本邊界的情況下顯示出反手征邊緣模式，通過改變費(fèi)米能級獨(dú)立調(diào)諧圓二色性。Zhou 等[31]用數(shù)值方法研究了石墨烯外在手征超表面在中紅外波段的可調(diào)。為了提高調(diào)諧帶寬，Yao 等[32]提出一種基于石墨烯超表面在太赫茲范圍內(nèi)的動態(tài)可調(diào)透射極化轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了帶寬為5.15 THz～ 5.52 THz 的左手圓偏振(LHCP)。

2020 年，Amin 等[33]提出了一種超薄石墨烯手征超表面，由石墨烯襯底上的周期性蝕刻的L 形空隙組成，襯底由導(dǎo)電平面支撐，如圖5(e)所示，線性或圓偏振入射波被不同比例的超表面有效吸收，呈現(xiàn)出半波片和四分之一波片的行為，特別地，由于石墨烯的折射率隨其化學(xué)勢的變化而變化，其線和圓二色性均可調(diào)諧。

4.3 其他可調(diào)諧材料

跟石墨烯一樣，黑磷(BP)也可以通過外部電壓來調(diào)諧。Hong 等[34]從理論和數(shù)值上表明，在不使用共振結(jié)構(gòu)的情況下，可以在無圖案的單層黑磷(BP)中獲得較強(qiáng)的旋光性，可與之前報道的手征超表面相媲美。從圖6(a)，6(b)可知，在75°入射角下，當(dāng)BP 的費(fèi)米能級從n=2×1013cm-2增加到n=8×1013cm-2時，圓二色性從6.5%上升到14.7%。

2018 年，Lin 等[7]將單分子層WSe2與手征超表面結(jié)合，得到了超薄圓偏振器，如圖6(c)，6(d)所示，通過光子與手征超表面的耦合控制了單分子層WSe2光子的偏振態(tài)，可以增強(qiáng)和反轉(zhuǎn)手征，進(jìn)一步微調(diào)CD，從-26%到+20%(-26.2%到+19.7%)，同時，WSe2原子層的光圓偏振度也提高了4 倍以上，為光學(xué)信息技術(shù)、芯片級生物傳感等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了一個平臺。隨后，Yin 等[35]從理論上提出了一種基于液晶的可重構(gòu)手征超表面，如圖6(e)，6(f)所示，在共振位置的圓二向色性的幅度可以達(dá)到80%，手征超表面在開關(guān)模式下CD 可以動態(tài)重新配置。2019 年，Peng 等[36]數(shù)值演示了一種具有可調(diào)圓二色性的微流體自旋選擇性手征超表面，如圖7(a)所示，由類似于伽馬射線的多層納米結(jié)構(gòu)周期性排列而成。借助微流控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)手征超表面的圓二色性微調(diào)，圖7(b)所示數(shù)值結(jié)果表明，可以實(shí)現(xiàn)40 nm 的寬調(diào)諧范圍，CD 的幅度可以達(dá)到60%左右。

圖6 (a) 圓偏振波在直角坐標(biāo)系中以斜入射方式入射到無圖案單層黑磷(BP)膜的示意圖[34]；(b) 圓二色性光譜；(c) 將CDPL作為手征超表面CDEXT的函數(shù)輸出；(d) 示意圖顯示了在不改變激發(fā)的CP 態(tài)情況下，通過MMs耦合操縱PL 極化[7]；(e) 手征超表面示意圖[35]；(f) LC 集成等離子體手征超表面在開、關(guān)條件下的模擬反射和CD 光譜Fig.6 (a) Schematic of circularly polarized waves impinge at a film of unpatterned monolayer black phosphorus (BP) at an oblique incidence in a Cartesian coordinate system[34];(b) Circular dichroism spectra;(c) Output CDPLas a function of the CDEXTof chiral metasurfaces;(d) Schematic diagrams indicate the manipulation of the PL polarization through the coupling to MMs without switching the CP state of the excitation[7];(e) Schematic of the chiral metasurface[35];(f) Simulated reflection and CD spectra of the LC-integrated plasmonic chiral metasurface at ‘ON’ and ‘OFF’ conditions

圖7 (a) 與微流體系統(tǒng)結(jié)合的手征超表面示意圖[36]；(b) 不同折射率混合溶液的CD 譜；(c) 手征超表面示意圖[39]；(d) 在不同折射率的情況下，SCMM-BLT 沿x 軸拉伸10%的OC 光譜Fig.7 (a) Schematic view of the chiral metasurface integrated with a microfluid system[36];(b) The CD spectrum as a function of the refractive index of the mixed solution;(c) Schematic view of the chiral metasurface[39];(d) OC spectra of SCMM-BLT stretched along x-axis at the level of 10% with different surrounding refractive index

通過機(jī)械力也可調(diào)諧手征超表面電磁響應(yīng)，例如：kirigami 的圓極化轉(zhuǎn)換器[37]，可變形手性結(jié)構(gòu)[38]，也可以在特殊襯底上設(shè)計納米天線陣列，最常見的襯底是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。2020 年，Zhou 等[39]從理論上研究了PDMS 襯底上具有雙層L 形和T 形金圖案的可拉伸手征超表面的圓二色性(CD)，如圖7(c)，7(d)所示。由于等離子體雜交模式的激發(fā)，CD 效應(yīng)發(fā)生，可以在中紅外區(qū)產(chǎn)生53.6%的大光學(xué)手性。通過拉伸PDMS，CD 的波段向更長的波長移動，證明了PDMS可以作為可調(diào)諧手征超表面的候選材料。除了上述材料，還有許多可調(diào)諧材料已被用于可調(diào)諧超表面器件，如：五氧化二釩鋰(LixV2O5)[40]、介電層[41-42]等，這些發(fā)現(xiàn)由于其簡潔的制作過程和良好的性能，在分析化學(xué)、成像、傳感和光譜學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

5 不對稱傳輸特性可調(diào)

通過手征超表面還可以實(shí)現(xiàn)不對稱傳輸?shù)目烧{(diào)，電磁波的不對稱傳輸在信息傳輸過程當(dāng)中起著非常重要的作用，而經(jīng)特殊設(shè)計的手征超表面則可使不對稱傳輸可調(diào)諧，極大地拓展了其在通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景。2015 年，Cao 等[43]用數(shù)值模擬方法分別研究了利用介質(zhì)中間層GST225 和石墨烯實(shí)現(xiàn)中紅外區(qū)的圓轉(zhuǎn)換二色性(CCD)的超快調(diào)諧。2016 年，Zhao 等[44]用數(shù)值方法證明了圓偏振波通過具有G 形孔的石墨烯手征超表面在THz 區(qū)的不對稱傳輸可調(diào)，如圖8(a)所示，并隨石墨烯費(fèi)米能級的變化而變化，當(dāng)費(fèi)米能級是0.6 eV時，在335 μm 處達(dá)到最大值6.8%，費(fèi)米能級增加到0.8 eV，在305 μm 處最大值達(dá)到15.6%，如圖8(b)所示。在襯底存在的情況下，石墨烯薄膜的等離子共振移到更長的波長。

2017 年，Jiang 等[45]將簡單形狀的硅陣列與石墨烯片相結(jié)合，數(shù)值研究了中紅外區(qū)的高效不對稱傳輸可調(diào)，在12.68 THz 時，介質(zhì)納米帶結(jié)構(gòu)的非對稱參數(shù)達(dá)到了0.92，可調(diào)諧光譜的寬度(＞0.7 處)為1 100 nm，與之前報道的AT 相比，這是一個很大的進(jìn)步。

2019 年，Shokati 等[46]提出了一種在THz 頻段可調(diào)的石墨烯手征超表面，如圖8(c)所示，采用有限積分法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，證明了圓轉(zhuǎn)換二色性(CCD)的可調(diào)，最高可達(dá)0.2，如圖8(d)所示。Zhou等[47]提出了一種基于雙層石墨烯基平面手征超表面的J 型結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生中紅外區(qū)的圓偏振波的不對稱傳輸，如圖8(e)，8(f)所示，雙層結(jié)構(gòu)的非對稱透射率可達(dá)16.64%，遠(yuǎn)高于單層結(jié)構(gòu)。Zhao 等[48]采用時域有限差分(FDTD)方法，提出了一種三層金屬-石墨烯-金屬超表面，研究了三層金屬-石墨烯-金屬超表面的可控線性非對稱傳輸和完全極化轉(zhuǎn)換，如圖9(a)，9(b)所示，通過將石墨烯的費(fèi)米能級從0.8 eV 改變?yōu)? eV，實(shí)現(xiàn)了不對稱傳輸和完全極化轉(zhuǎn)換的開關(guān)控制。

圖8 (a) 具有G 形孔的石墨烯手征超表面[44]；(b) 無襯底時相對與總透射的傳輸差；(c) 石墨烯手征超表面[46]；(d) 結(jié)構(gòu)的正反傳播方向的圓轉(zhuǎn)換二色性(CCD)光譜示意圖；(e) 單層石墨烯平面手征超表面[47]；(f) 不同費(fèi)米能級下非對稱透射與波長的關(guān)系Fig.8 (a) The graphene chiral metasurface with G-shaped holes[44];(b) The relative enantiomeric difference in the total transmission without a substrate;(c) Schematic view of the graphene chiral metasurface[46];(d) Circular conversion dichroism (CCD) spectra of the structure for forward and backward propagation directions;(e) The schematic diagram of the monolayer graphene-based planar chiral metasurface[47];(f) The relation between the asymmetric transmission and the wavelength under different fermi energies

圖9 (a) 混合金屬-石墨烯超表面單元示意圖[48]；(b) 不同費(fèi)米能級石墨烯的不對稱傳輸參數(shù)；(c) 超表面三維視圖[52]；(d) 不同μc向前傳播的CCD 光譜；(e) 裝置原理圖[53]；(f) y 極化(實(shí)線)和x 極化波(虛線)的AT 參數(shù)Fig.9 (a) Schematic diagram of a unit cell of the proposed hybrid metal-graphene metasurface[48];(b) Asymmetric transmission parameters with different Fermi energies of graphene;(c) Three dimensional view of the metasurface array[52];(d) CCD spectra of the structure for forward propagation directions with different values of μc;(e) Schematic diagram of the device[53];(f) AT parameters of y-polarized (solid line) and x-polarized waves (dashed line)

同年，還有許多的不同種類的可調(diào)手征超表面被提出。Song 等[49]研究了一個分裂阿基米德螺線超表面，作為概念的證明，利用分裂螺旋結(jié)構(gòu)的耦合，證明了雙頻非對稱傳輸在GHz 區(qū)域的存在，最大不對稱傳輸參數(shù)達(dá)到53%，利用微流控技術(shù)對分裂螺旋結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行控制，得到了帶寬為25.9%的寬帶非對稱傳輸調(diào)諧。Hajian 等[50]從理論上分析了六方氮化硼(hBN)/石墨烯/hBN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的不對稱傳輸特性，最高可達(dá)45%。同年，他們[51]還證明了用平面多層石墨烯-hBN 超材料可以產(chǎn)生超寬帶、高對比度的光的不對稱透射(AT)和不對稱吸收(AA)，中紅外區(qū)的AT 可達(dá)75%。

2020 年Asgari 等[52]研究了一種由拆分環(huán)陣列組成的新型 THz 頻段可調(diào)石墨烯手征超表面，如圖9(c)～9(d)所示，實(shí)現(xiàn)了圓轉(zhuǎn)換二向色性(CCD)可調(diào)，CCD 可達(dá)到0.36。Li 等從[53]理論上論證了一種由一層金屬結(jié)構(gòu)和一層相變結(jié)構(gòu)組成的超表面，在這兩層結(jié)構(gòu)之間有聚酰亞胺間隔物，如圖9(e)，9(f)所示，通過改變電導(dǎo)率的值，實(shí)現(xiàn)了線不對稱傳輸參數(shù)0～0.63 大范圍的變化。

6 總結(jié)與展望

在本文中，我們簡要回顧了在可調(diào)諧手征超表面這個快速發(fā)展的光子領(lǐng)域中取得的主要成就，重點(diǎn)介紹了可調(diào)諧手征超表面的電磁特性，特別是與手征性相關(guān)的負(fù)折射率、圓二色性和旋光性、不對稱傳輸特性的調(diào)諧性質(zhì)，但目前出現(xiàn)的一些可調(diào)諧手征超表面的設(shè)計，大部分是通過數(shù)值模擬和理論分析，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的很少。作為一個新興研究方向，可調(diào)諧手征超表面盡管在近年來取得了長足的發(fā)展，但仍然存在一些亟待解決的問題：1) 文中介紹的可調(diào)諧超表面大部分都有金屬層，也就是金屬和介質(zhì)混合的超表面，而金屬在光頻段都有較大的內(nèi)在歐姆損耗，利用金屬-介質(zhì)超表面的器件存在效率低、帶寬小等問題，未來期望利用低損耗的新型可調(diào)諧材料，結(jié)合幾何(PB)相位的梯度超表面、Mie 共振超表面等，設(shè)計、制備結(jié)構(gòu)簡單的全介質(zhì)手征超表面光功能器件，更加深入地研究超表面光器件對各種偏振光的響應(yīng)特性，如圓二色性、旋光性、不對稱傳輸?shù)?，?shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，高效的可調(diào)諧全介質(zhì)多功能手征超表面光器件；2) 可調(diào)諧材料對超表面的電磁調(diào)諧通常借助于諧振模式的改變，由于調(diào)諧的帶寬受限于諧振的譜寬，通常較窄。因此，如何同時實(shí)現(xiàn)寬帶、高效的調(diào)諧值得做進(jìn)一步的深入研究；3) 上述的可調(diào)諧手征超表面可以同時實(shí)現(xiàn)一個或兩個電磁特性的調(diào)諧，更多功能的集成還有待挖掘。相信未來隨著可調(diào)諧手征超表面的不斷深入研究，電磁特性不斷優(yōu)化，可以應(yīng)用到更多領(lǐng)域，包括生物醫(yī)學(xué)傳感和成像、量子信號處理、激光和熱探測器等。