前沿进展 | 自偏置非互易超表面——电磁信息传输的新范式频率中的“莫尔晶格”

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，电子科技大学邓龙江院士团队毕磊教授与厦门大学杜清扬副教授合作，提出并研制了磁性相位梯度型非互易超表面，实现了电磁波相位的任意双向非互易传输，为电磁信息传输和调控提供了新功能和新范式。该器件具备无磁场偏置、无源、线性的特点，具有较好的工程应用潜力。

研究结果以“A self-biased nonreciprocal magnetic metasurface for bi-directional phase modulation”为题发表在Nature Electronics上。

2023 | 前沿进展

02 研究背景

电磁波传播通常遵循洛伦兹互易原理，它指出将源和观察点的位置互换，产生电磁场的效果是一样的，常表现为沿同一路径正向和反向传播时电磁特性相同。非互易器件能够打破互易性，使双向传播的电磁特性不同，是支撑电磁信息传输的基本元器件之一。但是，传统非互易器件只能实现强度（隔离）和传播方向（环行）的不同，限制了非互易器件的应用领域。

非互易超表面可以实现相位、偏振等任意电磁参数的非互易传播，对电磁波传输提供新的调控能力，支撑非互易天线罩、全双工通信等技术发展，显著提升电磁信息的信噪比和传输带宽。然而，这样的超表面结构通常需要施加外部电场或磁场偏置，或依赖于非线性效应，难以应用于实际场景。

03 研究亮点

该团队创新性地将具有强磁晶各向异性的六角铁氧体材料制备成亚波长谐振结构，解决了磁性非互易超表面需外加磁场偏置的难题；进一步，通过构建磁性Mie谐振结构单元，结合磁圆双折射原理，实现了对双向电磁波相位在0~2π范围的独立调控，解决了磁性非互易超表面相位难调控的问题；最后，作者基于数值编码超表面设计方法，设计并制备了正反向传输具有不同相位梯度的非互易超表面，实验研制了无磁场偏置、无源、线性、相位调制的非互易超表面器件，工作原理如图1。

在大约15 GHz的频率下，该团队首先通过实验证明了单向传输，隔离度为9.18 dB，插入损耗为1.35 dB，且在±64°入射角内均能保持单向传输特性，如图2；进一步设计并测试了一个非互易光束偏转超表面，达到0°/29°的前向/后向偏转角，如图3；研究团队还展示了一个前向焦距为110 mm、后向焦距为54 mm的非互易聚焦透镜，聚焦效率在30%左右，仿真与实验结果都展示在图4中；最后，他们展示了非互易全息器件，其正向与反向的远场全息图样分别为ε和μ，全息的效率接近30%，如图5。

图1 自偏置非互易超表面工作原理

图2 非互易单向透过超表面

图3 非互易光束偏转超表面

图4 非互易聚焦超表面

图5 非互易全息成像超表面

04 总结与展望

该工作将自偏置磁性材料与超表面相结合，突破了传统非互易器件的原理、结构和技术局限，为电磁信息传输提供了新自由度和新范式，可望应用于下一代5G/6G通信、天线罩、雷达等领域。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省科技厅省院省校等项目的资助。

论文链接：

http://www.nature.com/articles/s41928-023-00936-w

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本文由课题组供稿

编辑 | 方紫璇

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