主動超構(gòu)材料（active metamaterials）是推動超構(gòu)材料實用化的重要途徑之一。近日，南方科技大學(xué)叢龍慶團隊，應(yīng)邀撰寫了題為“Terahertz Metamaterials for Free-Space and on-Chip Applications: From Active Metadevices to Topological Photonic Crystals”的綜述性文章，發(fā)表在2022年Advanced Devices & Instrumentation期刊上。本文聚焦未來在無線通信、成像、傳感領(lǐng)域都極具應(yīng)用潛力的太赫茲（THz）波段，重點總結(jié)基于復(fù)合超構(gòu)材料（hybrid metamaterials）實現(xiàn)主動調(diào)制的研究進展，介紹幾種基本工作機制、相關(guān)器件性能指標、發(fā)展概況、技術(shù)瓶頸等，為讀者了解技術(shù)原理、開展相關(guān)研究提供參考。目前，主動超構(gòu)材料的應(yīng)用主要針對自由空間太赫茲波調(diào)制，而片上信息傳輸將進一步助力器件小型化，提升器件集成度?；谕負涔庾訉W(xué)的太赫茲波導(dǎo)有望解決片上傳輸效率問題，本文第二部分還重點介紹了當前的熱點研究方向——拓撲光子學(xué)，分別從基本原理、幾種典型的拓撲光子晶體類型、太赫茲應(yīng)用進展三方面展開。

研究進展

液晶-超構(gòu)材料復(fù)合器件
向列相液晶在可見波段已廣泛應(yīng)用于相位調(diào)制，在太赫茲波段的應(yīng)用價值也非常高。但想要獲得足夠大的相移，液晶的厚度需要與波長相近，因而增加了調(diào)制-恢復(fù)時間，這就為太赫茲應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。將液晶材料與超構(gòu)材料結(jié)合，可以大大減小液晶厚度、減小驅(qū)動電壓、提高器件開關(guān)速度，并利用超構(gòu)表面產(chǎn)生一系列功能應(yīng)用（圖1a）。

圖1 幾種典型的復(fù)合超構(gòu)材料

（a）液晶-超構(gòu)材料器件；（b）相變材料-超構(gòu)材料太赫茲主動調(diào)控；（c）石墨烯-超構(gòu)材料太赫茲調(diào)控；（d）MEMS-超構(gòu)材料太赫茲調(diào)制器；（e）硅-超構(gòu)材料全光超快調(diào)制器。

相變材料-超構(gòu)材料器件

利用相變材料（GST、 VO2等）在外界驅(qū)動調(diào)制下由晶態(tài)到無定形態(tài)轉(zhuǎn)換的過程帶來材料折射率和吸收系數(shù)的變化，可以為復(fù)合超構(gòu)材料器件的主動調(diào)制帶來豐富的應(yīng)用場景，滿足不同的應(yīng)用需求（圖1b）。目前，相變材料的驅(qū)動手段多樣化，具備各自的優(yōu)勢和劣勢。

石墨烯-超構(gòu)材料器件石墨烯在太赫茲波段的電導(dǎo)率與直流電導(dǎo)率正相關(guān)，因此可以通過調(diào)制費米能級的方式實現(xiàn)太赫茲波高效、寬帶的調(diào)制。典型的調(diào)制應(yīng)用包括類二極管光學(xué)器件、寬帶調(diào)相器件、光學(xué)記憶器件、非線性器件等?；陔婒?qū)動的石墨烯-超構(gòu)材料器件調(diào)制速度仍受限于RC時間；另外，其自身厚度有限，與光相互作用的強度受限，需要依賴于超構(gòu)材料極強的局域場增強來提升調(diào)制深度。MEMS-超構(gòu)材料器件微機電系統(tǒng)（MEMS）是目前最先進的集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分。基于MEMS成熟的加工工藝和廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)可以很好地拓展應(yīng)用于太赫茲波段，典型的應(yīng)用場景之一是利用靜電驅(qū)動實現(xiàn)對電磁波偏振態(tài)的動態(tài)調(diào)制（圖1d）。將MEMS與超構(gòu)表面結(jié)合還可以實現(xiàn)可編程調(diào)制器，有望集成動態(tài)偏振態(tài)調(diào)制、波前偏置、全息顯示等復(fù)雜的功能于一個器件。但可靠性是MEMS-超構(gòu)表面陣列面臨的一個問題，例如變形分布不均勻、缺陷、懸臂梁無法釋放等。

硅-超構(gòu)材料器件

太赫茲波段主要采用的半導(dǎo)體材料是硅和砷化鎵，通過全光調(diào)制和電驅(qū)動兩種模式實現(xiàn)動態(tài)調(diào)制。全光調(diào)制通常是利用激光脈沖激發(fā)半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)載流子，材料載流子濃度的改變對太赫茲波的透/反射率產(chǎn)生調(diào)制，通過結(jié)合超構(gòu)表面可實現(xiàn)調(diào)幅、偏振分束、輻射角度切換等應(yīng)用。最大優(yōu)勢是可以實現(xiàn)超快的調(diào)制速度，并可實現(xiàn)遠程調(diào)控。電驅(qū)動調(diào)制方式通過電注入或耗盡載流子的方式改變材料的載流子濃度，這種方式從器件實用性和集成性的角度往往更有吸引力，但調(diào)制速度受限于驅(qū)動電路的RC時間。

圖2 拓撲光子學(xué)和太赫茲應(yīng)用

（a）拓撲和拓撲不變量；（b）時間反演對稱破缺的拓撲光子晶體；（c）基于量子自旋霍爾效應(yīng)的拓撲光子晶體；（d）基于量子谷霍爾效應(yīng)的拓撲光子晶體；（e）拓撲光子晶體的太赫茲通信應(yīng)用。

拓撲光子學(xué)

基于拓撲光子學(xué)的太赫茲波導(dǎo)具有傳輸效率高、穩(wěn)定性好、對大角度偏折不敏感等優(yōu)勢，將助力太赫茲通信應(yīng)用發(fā)展。拓撲光子學(xué)應(yīng)用大多基于光子晶體。本文簡述了拓撲光子學(xué)基本原理（圖2a）、拓撲光子晶體的幾種分類(圖2b，時間反演對稱破缺的拓撲光子晶體)、拓撲不變量的計算，重點針對具備時間反演對稱的量子自旋霍爾效應(yīng)（圖2c）和量子谷霍爾效應(yīng)（圖2d）的光子晶體進行介紹。最后，文章總結(jié)了目前基于拓撲光子晶體的太赫茲通信應(yīng)用相關(guān)報道（圖2e）。

總結(jié)與展望

自由空間太赫茲波的主動超構(gòu)材料涉及的驅(qū)動方式包括電、光、熱、力等，在應(yīng)用中具備各自的優(yōu)、缺點，例如典型的電驅(qū)動方式具有很好的集成性，但調(diào)制速度往往受限于RC時間；光驅(qū)動的調(diào)制時間可到飛秒量級，可遠程遙控，但集成性受限，調(diào)制頻率也受到脈沖激光的重復(fù)頻率限制。針對片上太赫茲應(yīng)用，結(jié)合拓撲光子學(xué)和主動調(diào)制的方法有望切實推動太赫茲通信應(yīng)用的發(fā)展。利用高階拓撲光子晶體還有望進一步提升光與物質(zhì)相互作用，為高功率太赫茲輻射源提供解決方案。

作者簡介：

叢龍慶，南方科技大學(xué)電子系副教授，研究團隊致力于太赫茲光子學(xué)研究，探索主動超構(gòu)材料器件用于自由空間太赫茲波調(diào)控，解決太赫茲無線通信、單像素成像、傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用問題；研究拓撲光子晶體，用于實現(xiàn)太赫茲片上調(diào)制應(yīng)用。目前承擔國家自然科學(xué)基金面上項目任務(wù)。

論文信息：

https://doi.org/10.34133/2022/9852503

審核編輯 ：李倩