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撰稿 | WHO HOW
历史背景
自从超材料的概念被提出以来，电磁超材料在世界范围内获得了广泛的关注，并且发展势头迅猛。
简单来讲，超材料是一种人工介质，通过在介质上排列设计好的微小结构，来实现自然界材料无法实现的物理性质，如零折射、负折射、隐身、亚波长成像等。
超材料往往体积大且厚重，难以在小型设备中应用，为了克服这些困难，2D超材料即超表面的概念应运而生。与3D超材料相比，超表面只有亚波长厚度，可以通过光刻和压印等方式制造。
2014年，数字超材料和可编码超材料首次被提出，与数字信号的概念相类似，将分别具有0°和180°的反射相位的粒子定义为0和1。通过量化超表面的相位，对超表面进行编码和设计。
但是此种超材料的编码是被动的，制造完成后他们的功能是固定的，这极大地限制了他们的使用范围。
因此，可调谐可重构超材料进入了研究人员的视线并得到了快速的发展。
简而言之，可调谐可重构超材料是由被动的超材料与有源器件组合而成。通过控制这些活动的组件，可以实现不同的功能。
基本原理
常规光学组件依靠在光传播时累积的逐渐相移来使光束成形。通过在波长范围内引入相位突变来获得新的自由度。具有相位响应和亚波长间隔的光学谐振器阵列可以在光穿过介质交界面时造成相位不连续性，相位不连续性为光束的设计提供了极大的便利。
研究热点
氧化铟锡（ITO）在可调谐可重构超材料中应用广泛。如图所示是一种与ITO集成的可调谐超材料。金基底，ITO层，氧化铝层和金条纹图案组成。这些条纹金图案是周期性的，并连接到右或左金电极以提供偏置电压。当在金条纹图案和金背板之间施加直流（DC）偏置电压时，载流子浓度将发生变化，并且在Al2O3和ITO的界面处将形成电荷积累层。因此，这些变化可引起ITO的复介电常数和折射率的调制。
石墨烯，作为一种二维形式的材料，其特殊的蜂窝状原子排布展现了前所未有的性能，可以调整石墨烯的费米能级，以实现可控栅极的光和物质相互作用。如下图是一种在太赫兹频段的可调谐超材料。由聚酰亚胺衬底，金属超材料颗粒层，石墨烯层，方环电极和作为栅极电介质的离子凝胶层组成。石墨烯被整合在可调谐超材料上的U型颗粒上。通过施加栅极电压，可以控制石墨烯的费米能级，从而导致电导率的光学调节。这种超材料上的U型颗粒是一种经过充分研究的结构，可以完全控制0至2π的相范围。可以通过旋转角度θ来改变透射系数。
液晶（LC）是中间相材料，通常在可调谐可重构超材料中用作环境材料或介电材料。可以通过施加电场、磁场和加热等方式改变LC的介电常数和折射率。如图所示的粒子由两个金属层和一个介电层组成，其中顶层金属层上的图案是电子环形谐振器（ERR）。ERR阵列与金属接地层隔离，聚酰亚胺介电层位于ERR阵列下方。LC用于覆盖顶部的金属图案，其折射率会影响可重构超材料的共振频率。
铁电材料是一种不具有对称中心的晶体结构。当在铁电材料上施加电场时，自发极化可以反转。 温度可以确定铁电晶体的相对介电常数，从而导致相变。各种铁电材料可用于制造可调谐谐和可重构的超材料，包括钛酸钡锶，钛酸钡（BTO），铌酸锂（LiNbO3）和钛酸锶（STO）。如图是一种STO衬底的热可调谐超材料，可以控制共振频率。金开口环谐振器的平面正方形阵列印刷在STO基板上。如下图所示其谐振频率随温度变化。
相变材料，例如硫属化物玻璃（GST）和二氧化钒（VO2），是用于存储器存储和动态应用的一种合适的功能材料。相变材料中光学性质可以发生巨大的变化，这为调制提供了便利。VO2在低温下具有可逆相变特性，如图所示，是一种采用纳米结构相变材料的可重构超材料。由金纳米粒子，VO2颗粒， Al2O3间隔层和金基底组成。经实验测量，当温度由21℃升至87℃，其谐振波长由1590 nm移至1230 nm。
与太赫兹中的可调谐超材料相比，微波频段中的可调谐超材料往往是通过在无源粒子中插入二极管实现可调谐谐性能。如下图，是一种使用变容二极管的可调谐超材料吸收器。经实验验证，该吸收器的吸收带宽为1.5GHz。
使用变容二极管的可调谐超材料吸收器。 A，超材料的粒子结构。B，样品和变容二极管的的正视图。C，从0到-19 V的不同反向偏置电压下吸收率的实验曲线
技术应用
过去人们通常使用大量的超表面全息图来记录光的振幅和相位信息以显示图像。与常规计算机生成的全息图相比，超表面全息图在太赫兹，红外和可见光条件下可以实现全息图的低噪声，高效率和良好的图像质量。
但是迄今为止报道的大多数全息超材料都用于重建静态全息图像，因为一旦超材料被制造，其相位或振幅分布就已经固定。而具有可编程粒子的基于超材料的全息图可以增强各种应用程序的动态功能。
近年来，对电磁成像的各种理论和技术进行了深入研究。对于常规成像技术，需要检测器阵列来感应成像平面处的电磁场的特征。现已经提出了一种新的尖端成像方法，即单传感器成像，并将其应用于许多应用中。
利用可编程超材料，研究人员设计出一种使用微波频率中的随机辐射图的单传感器和单频率成像系统。对于所提出的成像系统，由于辐射图的适当模式，可以解决微波频率中的逆散射问题，并且可以消除物体的色散。
时空可编程超材料基于2015年提出的时空梯度超表面的概念，其中将时间调制应用于表面阻抗。
时空超表面上的粒子在时域中被周期性或非周期性地切换为“ ON”和“ OFF”。得益于电子控制的时间参数，时空超表面具有在波束形成和控制方面更加灵活的优势。
可编程超材料通信系统的原理是基于对反射系数调制，可编程超材料可以在自由空间中产生和控制非线性响应。而谐波的控制取决于对入射波的时间调制。
基于这些理论，研究人员设计了一种二进制频移键控（BFSK）通信系统。该通信系统简单高效，不需要混频过程。
使用可编程超材料来代替模数转字换器和RF网络。用软无线电（SDR）来接收可编程超材料的实时信号。基于可编程超材料的远场辐射方向图的变化，研究人员又提出了一种新型的无线通信体系结构，该体系结构称为直接数字调制（DDM）。
DDM系统包括FPGA，可编程超材料和接收器。传输的信息以二进制编码序列的形式表示，该二进制编码序列通过FPGA在可编程超材料上编码，不同编码序列确定不同的辐射图。多个接收设备通过识别辐射图来获得发送的信息。为了恢复原始信息，必须同时获取从多个点捕获的所有信息。
DDM的工作机制意味着DDM是天然的保密通信系统，因为所传输的信息无法仅通过软件恢复和加密。为了发送信息，DDM将信息流分成n位二进制代码的多个片段，称为信息代码。应用设计好的通道算法，信息代码被映射到称为硬件代码的m位二进制代码，该代码用于操纵可编程超材料上的粒子。可编程超材料辐射图与信息代码相对应。因此，通过切换可编程粒子的状态来传输整个数字信息。只有将接收到的辐射图一对一映射到硬件时才能获得正确的数字信息。
结论与前景
回顾可调谐可重构超材料的发展历程，在太赫兹频率下，ITO，石墨烯，液晶和铁电材料是用于设计这些可调谐和可重构超材料的常用材料。这些活性材料的特性可通过电，光和热来控制和调节。
基于这些可调谐谐和可重构的超材料，许多应用和设备，例如可调谐谐吸收器，辐射的动态操纵，和太赫兹的振幅调制得以实现。
与太赫兹中的这些活性材料相比，PIN二极管或变容二极管用于负载无源粒子，以实现超材料在微波频率下的可调谐谐性。可调谐可重构超材料为需要主动操纵电磁波的各种应用提供了发展机遇。
在过去的几年中，由于可编程超材料的工程优势十分明显，因此受到了持续的关注。当超材料实现了可编程时，就可以在物理世界和信息世界之间建立起一座桥梁。可编程超材料可以在超材料的物理层上实时进行基于波的信息编码和处理。
就目前的发展趋势而言，可编程超材料与各种信号处理操作之间的联系将得到进一步发展。此外，可编程的超材料可以充当一个现场平台，在该平台上可以实现更高级的人工智能和深度学习算法。
综上所述，电磁波的动态控制是现代超材料中非常需要的功能。可调谐可重构配置和可编程的超材料可以推动使用电磁波的通信方法的突破。
基于目前所知的性能，可编程超材料应该针对具有自感应，自学习，自适应功能的智能系统进行开发和研究。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/mop.32164
文章来源：中科院长春光机所 | Light学术出版中心
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