撰稿|由课题组供稿
太赫兹波是介于微波和红外之间，频率为0.1~10 THz的电磁波。相比于微波，太赫兹波段频谱资源更为丰富，成像分辨率更高，因此在下一代无线通信、通感一体化、目标探测等领域展现了巨大的应用潜力。然而，太赫兹波的路径损耗较高，波束赋形技术对于提升工作距离至关重要。传统的波束赋型技术，如机械扫描天线、有源相控阵等，在可靠性、成本等方面仍然存在诸多挑战。近年来，基于人工电磁结构和可调谐材料的可编程超表面（智能超表面）涌现出来，它为太赫兹波束赋形技术提供了极具前景的解决方案。为了满足6G通信的应用需求，需要开发大规模阵列器件实现高指向性、全空间的太赫兹波束扫描。然而，现有可编程超表面中每个相控单元都需要独立的控制线以实现状态保持，这给阵列规模的提升带来了巨大挑战。
鉴于此，南京大学吴培亨院士课题组金飚兵教授和吴敬波教授联合紫金山实验室在可编程超表面中创新性地引入交叉开关架构，基于相位编码与远场的傅里叶变换关系，通过行列编码的模加运算实现太赫兹波束在半空间的自由扫描。在实验中，利用液晶材料制备了超过56×56单元的电控可编程超表面，行列相位编码满足模加运算关系，成功实现了高指向性太赫兹波束的二维调控。这一方案极大地简化了可编程器件的馈电网络，并可以拓展到其他电磁波段。
该成果以“Modulo-addition operation enables terahertz programmable metasurface for high-resolution two dimensional beam steering”为题发表在Science Advances （https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi7565）。南京大学吴敬波教授和金飚兵教授为论文共同通讯作者，南京大学博士生李威力、博士后陈本纹为共同第一作者，南京大学范克彬副教授、张彩虹教授、王华兵教授、陈健教授和吴培亨院士给予了重要建议，研究生胡心昱、郭航兵、汪晟亦有重要贡献。该项目得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、江苏省电磁波先进调控技术重点实验室、极端性能光电技术教育部重点实验室和小米青年学者-科技创新奖项目的支持。
，其中S1为相位编码矩阵，当相位编码为1比特时，S1为0和1组成的矩阵，0和1分别表示散射相位为0和π。根据广义斯涅尔定律，该超表面在u轴方向实现波束的任意偏折，其辐射远场可以表示为F(u, 0)。同样地，对于相位梯度仅沿y方向的超表面的电场可表示为
，可实现波束在v轴方向的任意偏折，其辐射远场可以表示为F(0, v)。如果超表面的表面散射电场是上述两个表面电场的乘积
，那么辐射远场的卷积运算，F(u, v)=F(u, 0)*F(0, v)，该超表面将可以在二维空间实现波束的任意偏折。根据以上分析可知，对于1比特相位编码，如果行列交叉点的相位编码等于行、列编码的模2加法运算（带进位）时，可以实现任意方向的波束偏折。
研究人员制备了液晶可编程超表面，图2给出了可重构太赫兹超表面的实物照片和反射谱测试结果。图2A为单元结构示意图，图2B是B层金属平面谐振器图案，其中每个像素由2×2单元结构组成，该可编程器件包含56×56像素（图2C）。
在该基础上，研究人员利用太赫兹时域光谱测试系统测试了该超表面在x、y方向施加不同编码后的辐射远场。首先，他们分别测试了仅在A层或B层施加不同编码序列，剩余一层全部施加0V编码。此时由于相位梯度仅存在于一个维度，故实现了波束的一维操控。如仅在A层施加不同编码序列时，相位梯度仅存在于x方向，故波束仅在u轴方向进行波束偏转，类似地，仅在B层施加不同编码序列则实现波束在v轴方向偏折。
进一步地，研究人员测试了超表面在A、B两层同时施加不同编码序列时的辐射远场，图3结果显示，该可编程超表面可将入射太赫兹波反射至设定的
方向。该结果表明，在模加运算赋能下，成功利用交叉开关架构实现了太赫兹波束的二维调控。
