基于二氧化钒（VO2）的可调谐手性超表面，用于太赫兹波的自旋选择性吸收和反射聚焦效应

《Results in Engineering》：Tunable Chiral Metasurface for Spin-Selective Absorption and Reflective Focusing Effect for Terahertz Wave based on Vanadium Dioxide (VO 2)

太赫兹波段的VO?基圆偏振表面（CMS）实现选择性吸收与反射波前调制，绝缘态下RHCP吸收达99.5%（2.39 THz），LHCP吸收93.0%（3.07 THz），CD值±0.74和±0.86，通过调整双不对称环（DASR）取向角实现0-2π反射相位连续调制，并构建二维阵列验证亚波长聚焦特性。

　　在当前的科技发展进程中，太赫兹波（THz波）因其独特的物理特性，成为连接电子学与光子学的重要桥梁。THz波覆盖0.1到10 THz的频率范围，具有穿透性强、非电离辐射以及在生物医学、安全检测、通信和成像等领域展现出广阔的应用前景。然而，由于自然材料在太赫兹波段的响应能力有限，导致了所谓的“太赫兹间隙”现象。为了克服这一限制，研究人员开发了超材料（Metasurface, MS）结构，这些结构由亚波长尺寸的人工单元构成，能够在太赫兹波段实现对电磁波的高效调控，包括其偏振态、振幅、相位等关键参数。

在这一背景下，一种新型的可调谐反射型手性超材料（Chiral Metasurface, CMS）引起了广泛关注。该超材料基于氧化钒（VO?）这一具有相变特性的活性材料，能够在外部刺激下实现从绝缘态到导电态的可逆转变，从而赋予其动态调节电磁响应的能力。这种可调谐CMS结构设计为双不对称分裂环（DASRs）结构，并与VO?垫片结合，通过在介质基底上与金属地平面结合，形成具有反射和调控功能的超表面系统。该结构在太赫兹波段展现出卓越的偏振选择性吸收和反射波前调控能力，为实现动态波前工程和适应性偏振控制提供了新的可能性。

### 结构设计与原理

该可调谐CMS单元由三层组成：前端的金属DASRs结构、中间的介质层以及后端的金属反射层。其中，DASRs结构由两个同心的不对称分裂环构成，它们的不对称设计能够引入电磁波的耦合效应，从而在太赫兹波段实现显著的手性响应。VO?垫片被嵌入到这些不对称结构中，使得其在不同的工作频率下能够动态地调节电磁波的反射相位和吸收特性。通过调节DASRs的旋转角度，可以实现0到2π的相位调控，从而在反射过程中实现波前的精确控制。这种基于Pancharatnam–Berry（PB）相位原理的调控方式，使得CMS能够同时实现高偏振选择性吸收和独立的波前调控，为开发多功能的太赫兹器件提供了坚实的基础。

在设计过程中，采用了传输矩阵理论来分析CMS的结构特性。通过将入射电场（E_I）与反射电场（E_R）之间的关系建立在Jones矩阵基础上，研究人员能够更深入地理解CMS在不同偏振状态下的响应机制。其中，正交偏振（如右旋圆偏振波RHCP和左旋圆偏振波LHCP）的反射系数被转化为反射矩阵，并进一步转换为圆偏振基下的反射矩阵。通过这种转换，可以更直观地观察到圆偏振波在CMS结构中的吸收与反射特性。

### 实验结果与讨论

在数值模拟中，该CMS结构在VO?处于绝缘态（σ_VO? = 2×102 S/m）时，展现出卓越的偏振选择性吸收能力。具体而言，在2.39 THz频率下，对于入射的右旋圆偏振波RHCP，其吸收效率达到99.5%；而在3.07 THz频率下，左旋圆偏振波LHCP的吸收效率为93.0%。与此同时，圆双折射（CD）效应分别达到±0.74和±0.86，表明该CMS在不同频率下对圆偏振波具有显著的选择性响应。这些结果不仅验证了CMS在太赫兹波段的高吸收性能，还揭示了其在圆偏振波处理方面的潜力。

进一步分析表明，该CMS结构在不同偏振状态下的吸收和反射特性具有显著的差异。例如，在2.39 THz频率下，入射的LHCP波被高效率吸收，而RHCP波则被反射；而在3.07 THz频率下，情况则相反。这种差异源于DASRs结构在不同频率下的响应特性，以及VO?材料在绝缘态下对电磁波的耦合效应。通过改变DASRs的旋转角度，可以实现反射相位的连续调节，从而在太赫兹波段实现波前的动态操控。这种能力使得CMS不仅能够实现高偏振选择性吸收，还能够对圆偏振波进行聚焦和成像。

在更广泛的频率范围内，研究人员还探讨了该CMS结构对不同入射角度（θ）的响应特性。结果显示，当入射角度在x-z平面和y-z平面范围内变化时，CMS的吸收和反射特性表现出一定的方向依赖性。这表明，该结构能够通过其不对称性，实现对圆偏振波的动态调控。此外，当VO?的电导率从2×102 S/m增加到2×10? S/m时，其吸收性能和CD效应均发生了显著变化。在高电导率状态下，CD值接近于零，说明此时的CMS结构已经失去了手性特性，转变为一种具有较低偏振选择性的反射结构。

为了验证CMS在实际应用中的潜力，研究人员进一步设计并模拟了2D阵列结构，通过精确的相位梯度调控，实现了对圆偏振波的聚焦。模拟结果表明，当VO?处于绝缘态时，CMS在3.07 THz频率下能够实现高效的RHCP波反射聚焦，而LHCP波则被高吸收。随着VO?电导率的增加，聚焦效率显著下降，说明此时的CMS结构已经无法维持其手性特性，从而影响了对圆偏振波的调控能力。

### 应用前景与技术优势

该可调谐CMS结构在太赫兹波段展现出卓越的性能，为未来无线通信、偏振编码信号处理和手性光谱学等应用提供了新的可能性。相比已有的研究，该设计在以下几个方面具有显著优势：首先，其在太赫兹波段实现了高偏振选择性吸收，分别达到99.5%和93%；其次，其CD值在不同频率下均达到较高水平，具有良好的可调性；最后，该设计结合了高吸收、强CD和波前操控能力，使得CMS能够在一个平台上实现多种功能，为动态波前工程提供了新的解决方案。

此外，该CMS结构的制造工艺也具备一定的可行性。通过光刻、电子束金属沉积和剥离技术，可以实现其在介质基底上的精确制备。同时，VO?的相变特性使得其在实际应用中可以通过温度调控实现动态性能调整，为实现高可靠性和可扩展性的太赫兹器件提供了基础。这一设计不仅在理论上具有突破性，而且在实际应用中展现出巨大的潜力，尤其是在需要高精度偏振控制和动态波前调控的场景中。

### 未来展望

随着太赫兹技术的不断发展，可调谐CMS结构有望成为下一代太赫兹器件的重要组成部分。其高吸收性能、可调的CD效应以及波前操控能力，使得该结构在无线通信、生物分子传感、信息加密和高分辨率成像等领域具有广泛的应用前景。特别是在6G通信技术中，由于太赫兹波段的高频特性，对信号的偏振调控和动态波前控制提出了更高的要求。因此，这种基于VO?的可调谐CMS结构，为实现高效率、高精度的太赫兹通信系统提供了新的思路。

未来的研究可以进一步探索该CMS结构在不同材料和几何参数下的性能优化，以及其在实际环境中的稳定性与可靠性。此外，结合其他活性材料（如石墨烯、GST等）进行多材料协同调控，也可能为开发更高效、更灵活的太赫兹器件提供新的方向。同时，该CMS结构的制造工艺也值得进一步研究，以提高其可扩展性和成本效益，从而推动其在实际工程中的应用。

总之，这项研究不仅在理论上揭示了可调谐CMS结构在太赫兹波段的潜力，而且在实验上验证了其在偏振选择性吸收和波前操控方面的卓越性能。其创新的设计理念和应用前景，为未来太赫兹技术的发展提供了新的方向和思路。