中山大学林佑昇教授：太赫兹波段的可主动调控双层跑道形超材料

研究背景和技术挑战

超材料作为一种可以在亚波长尺度上对电磁波进行控制的人工复合材料，由于其具有传统光学材料所不具备的独特的光学响应，吸引了研究者们的极大兴趣。通过对超材料几何结构和特征尺寸的适当控制和人工设计，其介电常数和磁导率在整个光谱范围内可以得到调控从而设计出理想的应用。随着超材料的快速发展，在生物传感、能量收集、滤波、隐身等领域都得到了广泛研究和应用。

然而，由于超材料固定的几何参数，它们的共振仅在一定频率下表现出滤波或吸收特性，传统的超材料在灵活性方面存在局限性，导致在实际应用中缺乏实用性。因此，可重构超材料可通过使用微机电系统（micro-electro-mechanical systems, MEMS）技术来灵活释放和改变超材料的几何单元结构，实现主动调谐功能，为可重构超材料提供了一个有效的实现方案。

研究内容和亮点

来自中山大学（Sun Yat-Sen University，SYSU）纳机电光学实验室（Nano-Electrical-Mechanical Optics, NEMO）的林佑昇教授课题组设计了太赫兹波段的可主动调控双层跑道形超材料 （racetrack-shaped metamaterials, RSMs）。双层超材料分别由旋转角度为0 、90 和180 的非对称RSM组成，如图1所示。研究了器件在不同几何参数下的光学性能，通过旋转顶部RSM层并改变顶部和底部RSM层之间的距离，RSM器件显示出电磁波的有源可调性。此外，RSM器件还具有开关多位数特性。相关研究成果以“Actively Programmable MEMS-based Racetrack-Shaped Terahertz Metamaterial”为题目发表于Journal of Applied Physics 2022年第131期（Journal of Applied Physics, 2022, 131(11), 115301）。

图１（a）RSM器件阵列示意图；（b）RSM_1、RSM_2、RSM_3和RSM_4的单元结构图；（c）RSM单元的几何结构及参数注释；所有RSM金属层的厚度和线宽分别为300 nm和5 μm

课题组设计的太赫兹双层RSM器件（RSM_2、RSM_3和RSM_4）的光学响应和数字信号状态分别在图２、图３ 和图4给出。通过改变上下两层超材料之间的距离（h 值），RSM_2在TE模式下表现出单谐振到双谐振的特性，在TM模式下表现出三重到四重谐振特性。RSM_3在 TE 模式下具有三重到五重谐振特性，在 TM 模式下具有单谐振到三重谐振特性。RSM_4在TM模式下具有三重至四重谐振特性，在TE模式下具有双谐振特性。由于TE和TM模式之间的电磁响应不同， RSM器件都表现出偏振依赖性特征。这意味着RSM设备可以通过改变入射光的偏振状态来切换。此外，RSM器件具有可编程的多数字极化开关特性，这意味着它们可以在不同的偏振模式下将数字信号逻辑切换为“（0， 1）”和“（1， 0）”。

图2 在（a）TE 和（b）TM 模式下具有不同 h 值的RSM_2的透射光谱；（c）不同 h 值RSM_2的极化开关特性

图3 在（a）TE 和（b）TM 模式下具有不同 h 值的RSM_3的透射光谱；（c）不同 h 值RSM_2的极化开关特性

图4 在（a）TE 和（b）TM 模式下具有不同 h 值的RSM_4的透射光谱；（c）不同 h 值RSM_2的极化开关特性

结果表明，通过改变悬浮层的高度，RSM_2、RSM_3和RSM_4表现出光开关特性。这些开关谐振可以等效于二进制位，即“0”和“1”，可以针对光逻辑应用进行编程。RSM器件的这些设计通过改变入射偏振光具有可编程的多位数开关特性。这些特性为未来太赫兹超材料在开关、可编程器件、雷达和光无线通信应用的可能性。

本研究工作得到广东省基础于应用自然科学基金项目（2021A1515012217）、国家自然科学基金项目（11690031）等的大力支持。

原文信息

标题

Actively programmable MEMS-based racetrack-shaped terahertz metamaterial

期刊号

Journal of Applied Physics 131, 115301 (2022)

作者

Yuping Fu, Xiaocan Xu, and Yu-Sheng Lin

原文链接

https://doi.org/10.1063/5.0069625

期刊介绍

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