在带有空心矩形谐振器的VO 2集成太赫兹超表面吸收器中，采用四通道多状态频谱编码技术

《Physica B: Condensed Matter》：Four-Channel Multistate Spectral Coding in a VO 2-Integrated Terahertz Metasurface Absorber with a Hollow Rectangular Resonator

　　• VO2超表面支持四个固定的太赫兹（THz）频谱读出通道。
• 中空谐振器边界创造了独特的场局域化模式。
• 电导率和极化共同生成了七种四位编码状态。
• 四种谐振的Q因子范围从7.11到43.66。
• 该设计实现了可重构的多态太赫兹频谱编码。

引言
太赫兹（THz）电磁波位于微波和红外区域之间，具有独特的频谱特性，在传感、无损检测、光谱学和信息处理等领域得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。然而，THz辐射与许多自然材料之间的相互作用相对较弱，这仍然是高效电磁操控和功能性器件发展的挑战。由亚波长谐振元件组成的超表面为增强电磁相互作用以及定制入射THz波的幅度、相位、极化和频谱特性提供了有效平台。自从Landy等人引入了完美超材料吸收器的概念[4]以来，已经开发了基于不同谐振配置的各种多带吸收器，用于频率选择吸收和传感应用[5]、[6]、[7]。最近的传感研究进一步探索了微结构光传感器、THz手性超表面、极化敏感的多峰吸收器和表面增强拉曼散射平台，展示了工程化谐振和场局域化在频谱传感和检测中的更广泛作用[8]、[9]、[10]、[11]。与此同时，超表面研究还扩展到了强光-物质相互作用、智能电磁波操控、机器学习辅助设计和宽带多功能吸收[12]、[13]、[14]、[15]领域。然而，在传统的被动超表面吸收器中，谐振频率和吸收特性主要由制造后的结构几何形状和组成材料决定，从而限制了频谱响应的动态重构。引入可主动调节的材料提供了一种有效的方法来克服被动超表面吸收器的局限性。最近的研究表明，使用含有VO2的超表面可以实现动态可调的THz滤波和吸收，包括独立控制的频率和幅度调制、宽带与窄带吸收之间的切换、宽带THz吸收以及热可调吸收[16]、[17]、[18]、[19]。在各种功能材料中，二氧化钒（VO2）引起了广泛关注，因为它在绝缘体到金属的转变过程中伴随着几个数量级的电导率变化[20]。这种明显的电学对比度使得在不改变设备物理几何形状的情况下，能够动态调节电磁耦合、场局域化和耗散损耗。例如，Shabanpour等人展示了一种可以通过电压控制相变来独立操控双极化THz波的可编程各向异性VO2超表面[21]，而Yang等人则报道了一种用于THz波束转向的可编程VO2超表面[22]。基于VO2的超表面还被研究用于宽带吸收、极化转换、可调滤波和可切换的吸收响应[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。最近的研究进一步展示了基于含有VO2的超表面的可切换多模态、极化无关、宽带可调以及频率选择性的THz响应[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。这些发展突显了VO2在可重构THz器件中的巨大潜力。尽管如此，电导率调谐主要提供了材料状态的自由度，而实现多种可区分的频谱状态还强烈依赖于谐振结构所支持的电磁响应。

除了材料状态调制之外，编码超表面提供了一种使用离散数字状态来表示和操控电磁响应的框架。Cui等人引入了编码、数字和可编程超材料的概念[33]，并随后将其扩展到信息超材料系统[34]。Gao等人展示了用于宽带操控THz波的多位编码超表面[35]。此后，使用不同的可调材料研究了主动和可切换的编码方案。Huang等人展示了一种基于狄拉克半导体的可切换THz编码超表面[36]，而Li等人报告了在THz范围内的频率切换VO2基编码超表面[37]。Wang等人进一步开发了一种基于VO2的动态编码超表面，用于双极化和双带THz操控[38]，同时基于数字编码超表面的动态多带吸收也得到了验证[39]。编码超表面还被用于电磁干扰和干扰相关应用[40]。这些研究表明了将活性材料与编码概念相结合在可重构THz波操控和信息处理方面的潜力。然而，对于基于固定频率读出的多通道频谱编码来说，获得多个可复制的数字状态需要各个频谱通道之间有足够不同的响应。因此，谐振器几何形状在决定可用谐振的数量和频谱位置、线宽、极化灵敏度、场局域化特性以及调制对比度方面起着重要作用。特别是，中空谐振结构引入了外部和内部边界，为产生空间分化的场分布和谐振响应提供了额外的几何自由度。这种依赖于几何形状的谐振器工程为实现超越单纯材料状态切换的频谱状态多样性提供了潜在途径。

先前的工作已经证明，VO2的相变控制和极化调制可以共同用于生成多种THz频谱编码状态[41]。在本研究中，引入了一种中空矩形谐振器，在单个超表面单元内建立多个空间分化的场局域化区域。谐振器的内外边界提供了不同的电磁限制区域，在VO2电导率和入射极化的变化下支持多通道频谱响应。通过将四个固定的谐振频率指定为频谱读出通道，可以将电导率-极化调制空间映射到多种四位编码状态。这样，所提出的谐振器拓扑结构提供了一种基于几何形状的可重构多态THz频谱编码实现方式。为了进一步明确本设计与代表性可调和编码THz超表面的相对位置，表1总结了它们控制机制、编码/调谐策略和代表性功能的比较。

基于这一策略，提出了一种集成VO2和中空矩形谐振器的四通道多态频谱编码THz超表面吸收器。在VO2的低电导率状态下，选择了0.545、1.768、2.867和3.157 THz的四个特征吸收谐振作为固定频率读出通道。通过联合调节VO2的电导率和入射极化角度，可以有选择地调制这些预定义频率下的吸收率，并将其转换为七种可区分的四位编码状态：1111、0111、0110、0011、0100、0001和0000。电磁场分析显示这四个谐振具有不同的空间局域化特性，表明这些吸收通道与由中空矩形结构支持的不同谐振响应相关。所提出的方法提供了一种基于几何形状的可重构THz频谱编码实现策略，具有在频谱标记、信息编码和可重构THz光子系统中的潜在应用。

结构设计与数值方法
图1展示了所提出的集成VO2的太赫兹超表面吸收器的单元格配置。该单元格采用五层架构，从上到下分别为：中空矩形Au谐振器、上层聚酰亚胺（PI）介质层、VO2薄膜、下层PI介质层和连续的Au接地平面。图案化的顶层谐振器提供了主要的电磁谐振，而介质层则将金属组件隔开，并提供了电导率和极化调节下的频谱响应。
图2展示了吸收光谱随VO2电导率和入射极化变化的演变情况。选择σ=2×10^2 S/m和θ=0°作为后续分析的参考状态。在这种条件下，出现四个明显的谐振峰，分别为0.545、1.768、2.867和3.157 THz，峰值吸收率分别为93.4%、86.6%、99.8%和93.6%。这些谐振分别标记为f1、f2、f3和f4。其中，f3=2.867 THz的谐振表现出接近...

实际实施
尽管本研究是数值模拟的，但VO2的绝缘体到金属转变可以通过热、电或光激发来触发。热调谐通常是通过加热VO2到其相变温度来实现的，从而导致电导率显著增加。电调谐可以通过施加偏置电压或电流来实现，其中电场效应和/或焦耳热可以驱动相变；电控制的VO2...

结论
一种结合了VO2和中空矩形谐振器的可重构四通道THz超表面已被数值证明可用于多态频谱编码。所提出的结构支持0.545、1.768、2.867和3.157 THz的四个频谱分离的谐振，这些频率作为数字状态的固定采样频率。评估不同VO2电导率水平和入射极化角度下的通道吸收率，可以得到七种不同的四位编码状态。

数据可用性声明
支持本研究发现的数据可向相应作者提出合理请求后获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报道的工作。

伦理声明
本研究不涉及人类参与者、动物、临床数据或生物材料，因此不需要伦理批准和知情同意。

资助
本研究未获得外部资助。

利益冲突声明
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致谢
在准备本手稿期间，作者仅使用ChatGPT（OpenAI）进行语言润色。作者随后审查并修订了润色后的文本，并对文稿内容全权负责。

Fangyong Lou