可逆圆二色性与线二色性双功能重构超表面的近红外动态调控研究

为解决传统手性器件功能单一的问题，研究人员设计了一种基于Ge2 Sb2 Se4 Te1 (GSST)相变材料的U型超表面，实现了近红外波段圆二色性(CD)和线二色性(LD)的巨幅可逆调控（CD: -0.89~0.89；LD: -0.85~0.92）。该研究通过磁偶极-电四极(MD-EQ)和环形偶极(TD)共振机制，为偏振集成器件设计提供了新思路。

　　

在光学集成系统快速发展的今天，偏振调控器件扮演着至关重要的角色。圆二色性（Circular Dichroism, CD）和线二色性（Linear Dichroism, LD）作为两种重要的偏振选择性吸收效应，在化学分析、药物筛选和信息加密等领域具有广泛应用。然而，自然界中的手性材料如DNA双螺旋和生物分子，其CD效应往往极其微弱，难以满足实际需求。尽管人工设计的超表面通过打破结构对称性（如Z型、L型结构）可增强CD效应，但现有器件大多仅能实现单一功能（CD或LD），且存在调控范围有限、不可逆等问题。这种功能割裂的局面严重制约了偏振集成器件的发展，特别是在需要同时处理圆偏振光（CPL）和线偏振光（LPL）的复杂场景（如斯托克斯偏振检测）中表现尤为突出。

针对这一挑战，吉林省科技发展计划项目支持的研究团队创新性地提出了一种基于Ge₂
Sb₂
Se₄
Te₁
(GSST)相变材料的U型超表面结构。该成果发表在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》上，首次在近红外波段实现了CD和LD的同步大范围可逆调控。研究人员通过电子学控制GSST的晶态（c-state）与非晶态（a-state）转换，动态调节结构对称性，成功突破了传统被动结构的性能局限。

研究采用三维电磁仿真软件进行数值模拟，通过控制U型单元中左右GSST条带的状态组合（c-/a-state或a-/c-state），系统分析了反射系数、吸收光谱等光学响应。特别关注了磁偶极-电四极（MD-EQ）共振和环形偶极（TD）共振对偏振选择性的影响机制。

设计原理与仿真验证
研究团队基于"打破镜面对称性和n>2旋转对称性"的设计准则，构建了由硅条带和双侧GSST条带组成的U型超表面单元。通过GSST相变实现折射率匹配（a-GSST与硅在近红外波段折射率相近），使结构能在左/右手性构型间切换。仿真显示该设计可同时激发MD-EQ和TD两种共振模式。

可逆圆二色性调控
在1710 nm波长处，c-/a-state构型对左旋圆偏振光（LCP）的反射系数|r_--
|显著高于其他偏振分量，表明其具有LCP选择性反射特性。通过切换GSST状态，CD值可在-0.89至0.89范围内连续可逆调节，这种巨幅调控源于MD-EQ共振对圆偏振的选择性激发。

动态线二色性表现
当GSST处于a-/a-state时，结构在1669 nm和1780 nm处分别产生-0.85和0.92的LD峰值。理论分析表明，双波段LD效应分别对应MD-EQ共振（响应x/y线偏振）和TD共振（响应45°/135°线偏振）的协同作用。

结论与展望
该研究通过创新性的GSST-U型超表面设计，首次实现了近红外波段CD和LD的同步动态调控，其性能指标（CD: ±0.89, LD: ±0.92）远超现有报道。Ying Cui等研究者揭示了MD-EQ和TD共振的偏振选择机制，为多功能偏振器件的集成化设计提供了新范式。这种电控可逆的超表面在动态全息、偏振成像和光学加密等领域具有重要应用前景，特别是其双功能特性可显著简化光学系统的复杂度。未来通过优化GSST的相变速度和周期稳定性，有望推动该技术走向实际应用。