LPR | 江南大学王本新团队：基于Ge₂Sb₂Te₅的偏振协同调控多功能可重构太赫兹超材料

导读 

超材料作为人工设计的亚波长复合结构材料，凭借独特电磁响应特性，在电磁波操控、智能无线通信、生物医学传感等领域应用前景广阔。然而传统超材料存在功能单一、动态可调性差、偏振调控能力不足等瓶颈，为实现动态调控，液晶、二氧化钒、石墨烯等活性材料被引入超材料设计，但这些材料存在频率调制范围窄、需持续温度加载（易失性）、制备工艺复杂等缺陷，严重限制了其性能提升与应用拓展。GST 作为典型的非易失性相变材料，在加热、激光脉冲或电压作用下可实现快速、可逆的相变，是制备可重构超材料的理想候选。但基于相变材料Ge₂Sb₂Te₅（GST）的可重构超材料研究多集中于可见光与近红外波段，在太赫兹波段的应用探索相对匮乏。太赫兹技术在超灵敏生物医学检测、高速通信、远距离成像等领域具有巨大应用潜力，而现有太赫兹超材料普遍存在功能单一、振幅（或相对）调制能力不足等瓶颈，且忽视了偏振调控在功能多样化与主动调制中的关键作用。针对上述挑战，研究团队开发了一种集成多功能的GST基可重构太赫兹超材料，成为满足片上集成太赫兹器件快速发展需求的关键。

图1.可重构四功能太赫兹超材料原理。

研究团队开发了一种集成多功能的GST基可重构太赫兹超材料，其核心结构为“铝基图案化阵列-聚酰亚胺间隔层-连续GST薄膜”的复合体系。利用GST热控相变过程中的电导率发生显著变化特性，该器件可实现从单频带电磁感应透明到三频带近100%吸收的动态切换。结合入射光束偏振方向调控还能分别实现单频带滤波与单频带完美吸收功能，最终实现集成四种不同的优异功能。

图2.具有四种不同可重构态的太赫兹超材料的实验展示。

在非晶态下，通过改变偏振方向可分别实现单波段电磁诱导透明（EIT）和单波段滤波功能；在晶态下，则可实现三波段近完美吸收和单波段近完美吸收功能。更重要的是，通过调控退火温度，各功能状态的幅度可独立动态调制，并且模拟与实验结果高度一致，通过电场与表面电流分布分析揭示了各功能的物理机制。

图3.状态A和状态B的仿真透射光谱，以及它们对应透射模式的电场和表面电流分布。

图4.状态C和状态D的仿真吸收光谱，以及它们对应的吸收模式的电场和表面电流分布。

通过调控退火温度可对各功能进行动态调制，其幅度调制率达77%，相对调制性能高达700%，显著优于已报道的单功能太赫兹可重构超材料器件。该超材料兼具结构简单、易制备、功能兼容性强、偏振复用及振幅可调等优势，在光电调制器、智能开关等领域具有重要应用价值。

图5.通过退火温度对四种不同状态进行动态调制的实验演示。

本研究的创新点在于在太赫兹波段实现了GST基超材料的四功能集成与偏振复用，兼具非易失性、高调制幅度与结构简单的优势，为太赫兹调制器、智能开关与集成光子器件的发展提供了新思路。未来，通过结合电控或光脉冲编程技术，有望进一步提升调制速度，实现真正意义上的高速动态可重构控制，推动太赫兹技术在通信、成像与传感等领域的实际应用。