撰稿|由课题组供稿
近日，西安电子科技大学吴边教授与东南大学崔铁军院士合作，首次提出了准一维表面等离激元的概念，构建了光学与射频双频段透明的电磁传输与辐射器件，最终实现了透明图像传输系统性能的提升与验证。研究成果以“Optically and radiofrequency-transparent metadevices based on quasi-one-dimensional surface plasmon polariton structures”为题发表在《Nature Electronics》。祖浩然博士为论文第一作者，吴边教授、崔铁军院士为通讯作者，西安电子科技大学苏涛教授、刘英教授、东南大学汤文轩教授、武汉理工大学何大平教授为共同作者，西安电子科技大学为论文第一单位。
在当今各种电子器件共存的复杂电磁环境中，对集成通讯、光隐身、电磁隐身的需求越来越强烈。许多场景(如5G/6G通信、智能家居、物联网、车联网、太阳能量收集等)迫切需要一系列能够提供高光学透过率、高射频透过率、高信号强度的电磁器件。长期以来，光学透明器件的性能依赖于氧化铟锡(ITO)等透明导体材料，其自身载流子浓度与透光率相互制约，具有透光性差、无法实现射频透明、加工成本高等缺陷。
研究团队创新性地提出了准一维表面等离激元（quasi-1D SPPs）的概念，利用周期性排列的准一维微金属线构建表面等离激元结构，可实现对表面波的高局域与强束缚，对电磁波具有任意拓扑传输与高效辐射转换等灵活调控能力。相比传统结构，金属占比降低两个数量级以上，同时具有极佳的光学透明与射频透明特性，在可见光与典型射频频段透过率均达到90%以上。
图1：光学与射频透明的准一维表面等离激元结构与功能示意图
准一维表面等离激元能够实现任意拓扑结构的传输并保持电磁能量的低逸散，还能对场束缚性进行有效操控，实现高束缚导行波向低束缚空间波的高效转换。因此，准一维表面等离激元结构有望构建一系列传输型和辐射型透明电磁器件，其极佳的透光特性使其在自然环境下几乎不可见。
图2：基于准一维表面等离激元的电磁传输与辐射器件
为验证该器件在无线通信领域的应用潜力，研究团队搭建了准一维表面等离激元无线图像传输系统，并与传统ITO无线图像传输系统进行了数据传输对比实验。以典型的载波频率直接传输像素为534 pt × 490 pt的图像(西安电子科技大学校徽)，对图像进行数字化处理，然后由信号处理模块将数据转换为射频信号，再将射频信号送入准一维SPPs或ITO收发射频终端，对比了无障碍与自身作为障碍物的图像传输质量。
图3：准一维SPPs无线图像传输系统示意图
图4：准一维SPPs与ITO无线图像传输对比实验
由于准一维SPPs优异的光学透明、射频透明、高辐射效率等优势，在无线图像传输中获得了更好的图像传输质量，而在相同极端条件下，传统ITO收发终端在图像传输中发生了大量的数据丢失与图像畸变。
该工作首次提出了准一维表面等离激元的概念，揭示了准一维表面等离激元更显著的场束缚与场增强效应，验证了任意拓扑结构传输与空间辐射转换功能，以及极端条件下高质量无线图像传输能力。该技术突破了透明电磁器件的光学与射频透过率限制，为高透光与射频隐身无线传输系统提供了新思路，有望应用于5G/6G移动通讯、智能家居、物联网与车联网等高集成隐蔽化通信领域。该工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目、联合基金项目和面上项目等资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-023-00995-z
Zu, HR., Wu, B., Chen, B. et al. Optically and radiofrequency-transparent metadevices based on quasi-one-dimensional surface plasmon polariton structures. Nat Electron (2023).
