撰稿|本文由课题组供稿
浙江大学王作佳研究员和陈红胜教授团队，与新加坡国立大学仇成伟教授团队合作，提出了折纸形变动态调控磁极化激元的新方法。研究人员阐述了折纸超构材料中磁极化激元在三维形变中的开口双曲-闭合椭圆拓扑转变过程，揭示了磁极化激元的色散等频线重构机理，提出三维折叠调控极化激元群速度方向的新方法。基于这个原理，研究人员进一步设计了群速度可变的折纸激元电路，实现激元电路的相位分布和传输特性调控。相关研究成果以“Topologically reconfigurable magnetic polaritons”为题发表在Science Advances。
极端各向异性材料中的双曲极化激元由于其独特的光学特性，近年来吸引了研究人员广泛的兴趣。各向异性光学材料的蓬勃发展展现了对极化激元强大的调控能力，产生了“扭转光子学”、剪切极化激元、拓扑极化激元等奇特光学现象。为了充分发挥极化激元的实际应用潜力，探究实现极化激元的动态调控是一个十分重要的研究课题。目前已有的调控手段都是基于调控复合人工结构中局部材料的光学特性，例如通过外界激励改变相变材料基底的折射率，以及改变石墨烯层的载流子浓度。然而，基于改变材料光学性质的方法调控范围比较小，且由于自然材料较弱的磁响应，极化激元的色散调控都局限于电各向异性。因此，如何实现极化激元大动态调控，尤其是各向异性磁极化激元，是一个亟待研究的课题。
应对磁极化激元调控挑战，研究团队将折纸与磁性人工单元结合在一起，利用折纸从二维到三维的连续形变能力，提出了折纸驱动极化激元拓扑转变的新方法。相较于以往的极化激元调控方法，基于折纸形变的极化激元色散调控具有较大的动态范围。折纸形变可有效重构磁极化激元的色散等频线，实现在开口双曲和闭合椭圆之间切换。此外，折纸的三维形变特点可驱动人工结构面外磁导率的拓扑转变，从而调控极化激元群速度的方向。
图1. a 折纸人工结构示意图。b 单元结构示意图。c 折纸不同形态下极化激元的色散。d 二维和三维折纸结构的磁导率。e二维折纸结构中极化激元的色散。f三维折纸结构中极化激元的色散。
图2. a 实验样品图。b实验装置图。c-f磁性极化激元色散等频线从闭合椭圆到开口双曲的拓扑转变：实空间的磁场测试结果（上）和对应波矢空间中的色散等频线（下）。
由于极化激元的群速度可调且其符号正负可变，在能量传输等领域具有应用前景。为此，研究人员提出了群速度正负可控的折纸激元电路，平面形态和折叠形态的折纸激元电路呈现出相反的群速度符号。折纸激元电路在平面形态时，极化激元在电路上的传播具有反常色散的行为，例如电路终端的相位超前于电路始端，并且激元的波长随着频率增加而增加。折纸激元电路工作在三维折叠状态时，极化激元在电路上的传播表现出正常色散特性，电路终端的相位落后电路始端，同时激元的波长随着频率增加而下降。研究人员还将多种形态折纸结构组合在一起，构造“异质结”折纸激元电路。由于不同几何形态区域的激元差异性，通过控制不同区域的长度，电路终端和始端的相位差可在正、负、零等多功能之间切换。
图3. a 可重构的折纸激元电路。（b，c）平面和三维折叠状态下折纸激元电路的色散。（d，e）平面折纸激元电路上的幅值、相位以及磁场分布。（f，g）折叠折纸激元电路上的幅值、相位以及磁场分布。
论文第一作者为浙江大学信息与电子工程学院博士研究生李民，通讯作者为浙江大学王作佳研究员、陈红胜教授以及新加坡国立大学仇成伟教授，论文的共同作者有斯坦福大学博士后胡光维以及浙江大学信息与电子工程学院博士研究生陈璇。该研究工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、新加坡国立大学高级研究和技术创新中心以及国家留学基金委的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add6660
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