南京大学团队实现可编程极化激元拓扑调控新突破
南京大学团队实现可编程极化激元拓扑调控新突破
南京大学研究团队在可编程极化激元拓扑领域取得重要突破，提出了一种通过人工各向异性电磁结构与可调电子元件结合实现动态拓扑极化激元调控的新方法。该研究不仅实现了极化激元色散等频线的连续重构，还展示了其在高分辨率成像、能量复用等领域的应用潜力。
极化激元是光与物质产生强耦合作用而形成的一种“半光-半物质”准粒子，具有高度局域的特点，在光学传感、成像、信息存储和超灵敏探测等领域应用前景广阔。近年来，极端各向异性材料中的双曲极化激元由于其奇异的光学特性，受到了研究人员的广泛关注。同时，对极化激元动态调控的探索，又推动了可重构拓扑极化激元的研究，在实现平面多功能等离激元器件和发展未来光子集成电路上潜力巨大，是现代光子学和激子学等研究领域重要研究方向之一。然而，现有可重构研究大多关注于几何形变的实现方式（如多层结构扭转、结构三维折叠等），同时实现低维度、快速、连续可控且具有高鲁棒性的动态拓扑极化激元，仍然具有相当的挑战性。
南京大学陈克副教授和冯一军教授团队，提出了人工各向异性电磁结构与可调电子元件结合实现动态拓扑极化激元调控的新方法。构建了LC谐振电路模型，并借助表面等效各向异性电导率分析，阐释了可重构超表面中极化激元的色散等频线重构机理。在此基础上，实验验证了极化激元色散的椭圆-准直线-双曲线等拓扑形式之间的连续转换过程，并由此开展了带宽拓展的场渠化、表面波聚焦等功能性设计。进一步提出了可编程极化激元电路的概念，实现了对结构局域色散特性和电磁波传输的灵活动态调控。这项研究为通过色散调控实现波前操纵提供了新的思路，有望应用于高分辨率成像、能量复用、近场信息处理等方面。
超表面可重构色散调控
通过压控电子元件（变容管）与各向异性结构的融合设计，构造出电磁色散特性可变的可重构电磁超表面单元，并将其周期性排布于二维平面内形成可重构双曲超表面（图1）。极化激元由位于超表面底部边缘区域的偶极子激励产生，利用超表面上的电压变化操控极化激元的传播。当施加不同的偏置电压时，结构单元中变容管的电容值会随着加载电压的连续升高而减小，引起结构单元色散特性的改变及相应极化激元色散拓扑的变化。例如，当加载电压分别为VC 1，VC 2，VC 3和VC 4时，能够实现极化激元的色散拓扑在开口椭圆、直线、双曲线以及椭圆之间动态、实时、连续切换，同时可灵活地裁剪表面波的波前。
图1 可重构各向异性电磁超表面实现动态拓扑极化激元调控
在各向异性结构单元中加载变容管，构造可重构的LC谐振电路，可独立、连续调控沿x、y方向的结构谐振频率（或赝表面等离激元频率）。研究人员采用本征模求解方法对结构单元的色散特性进行了数值计算与分析，通过改变加载电容值可对结构单元的色散特性灵活调控（图2a,b）。例如，实现固定频段内极化激元色散拓扑在椭圆-双曲转换过程中多种状态之间的任意切换（图2c）。
图2 (a, b) 极化激元分别沿 (a) x 和 (b) y 方向传播的色散特性，其中，右图为极化激元在加载不同电容Cv情况下的色散曲线；(c) 加载电容Cv分别为 0pF、0.24pF、0.30pF 和 0.52 pF时，极化激元在不同频率下的色散等频线
实时连续可重构拓扑传输
改变电磁结构加载的电容值，可实现极化激元的色散等频线在椭圆、准直线、双曲线和椭圆拓扑之间的连续变化（图3a）。研究人员借助了时域有限差分法（FDTD）对可重构超表面进行计算，结果表明表面波的波前相应地从外凸转变为平直、再到内凹最后又回到外凸（图3b），由此可实现对极化激元群速度方向的调控。进一步对极化激元的电场分布进行快速傅里叶变换（FFT），动量空间的色散等频线所呈现出的几何特征变化，与预期实现的拓扑传输现象高度契合（图3a,c）。对此，研究人员借助近场扫描测试系统（图3d）展开了实验研究，极化激元的电场分布和色散等频线的测试结果（图3e,f），均验证了拓扑可重构极化激元的可行性。
图 3 (a) 选取观测频率为6.1 GHz，在不同的加载电容下，极化激元实现了椭圆、准直线、双曲线和椭圆拓扑形式的等频线；(b, c) 在不同的加载容值下，对超表面进行仿真计算得到的极化激元的电场分布及其在动量空间中的色散等频线；(d) 加工制作的样品和实验装置的照片；(e, f) 在不同加载容值下，对超表面进行实验测试得到的极化激元的电场分布及在动量空间中的色散等频线
可调场渠化和表面波聚焦
研究人员开展了可调场渠化和表面波聚焦的功能性设计并进行了实验验证，以充分展示动态拓扑极化激元的应用潜力。利用极化激元色散等频线拓扑的连续可重构性（图4a），及其在准直拓扑状态下的无衍射传输特征。通过调节施加在可重构超表面上的偏置电压，观测到了带宽拓展的场渠化（图4b）。这一物理现象在超透镜设计、高分辨率成像和位置传感等方面有望得到应用。与此同时，研究人员还利用双曲极化激元波前内凹的特征，成功实现了较宽频带内的表面波亚波长聚焦（图4c,d），焦点的半功率宽度测试结果约为0.55波长。上述研究结果表明，人工各向异性超表面结构与可调电子元件结合的方法在实现拓扑极化激元动态调控方面具有高度灵活性和较好的稳定性。
图4 (a) 固定频段内，极化激元的色散拓扑传输区域与频率和加载电容Cv的变化关系。(b) 在不同的加载容值下，极化激元实现可调场渠化的电场分布测试结果。(c) 极化激元从超表面传播到空气中实现表面波聚焦的原理示意。插图显示了结构单元加载容值为0.32 pF时，6.1 GHz处的双曲色散等频线。图中红色箭头表示极化激元的传播方向，红色圆圈表示焦点。(d) 极化激元实现可调表面波聚焦的电场强度分布测试结果
总结与展望
该研究提出了人工各向异性电磁结构与可调电子元件结合实现动态拓扑极化激元调控的新方法，具备高速可控性和连续可重构性等优点。研究人员成功实现了极化激元色散等频线在椭圆和双曲之间的连续任意切换，并由此呈现了基于超表面的可调场渠化和表面波聚焦等物理现象，为多样化、按需可重构表面波波前操纵提供了新途径，有望应用于高分辨率成像、近场信息处理等领域。