近日，西安电子科技大学吴边教授团队与合作者打破了传统电磁超材料的维度限制，在国际上首次提出了准一维表面等离激元（quasi-1D SPPs）结构。相关工作发表在Nature Electronics上。
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。
吴边教授研究团队搭建了准一维表面等离激元无线图像传输系统（下图1所示），并与传统ITO无线图像传输系统进行了数据传输对比实验（图2所示）。以典型的载波频率直接传输像素为534 pt x490 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1 准一维SPPs无线图像传输系统示意图
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。
图2 准一维SPPs与ITO无线图像传输对比实验
图3 光学与射频透明的准一维表面等离激光结构与功能示意图
吴边教授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（如图3所示）。
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。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（如图4所示），其极佳的透光特性使其在自然环境下几乎不可见。
图4 基于准一维表面等离激光的电磁传输与辐射器件
整体来看，该技术首次提供了光学与射频双频段透明的新型电磁器件设计方法，打破了光学透明电磁器件对于传统透明导体材料的依赖，大幅提升了光学透明度，同时获得了优越的射频透明特性。有望广泛用于各类电子屏幕、建筑玻璃、太阳能面板、家居设备面板等，以实现高效的无线能量收集、集成隐身通讯、万物互通互联等领域，助力人类社会实现多维信息互联。
在下一步的研究中，吴边教授团队计划多方面地开发该技术在下一代移动通讯和智能家居领域的应用，包括基于准一维表面等离激元结构的各种透明辐射天线、透明微波器件与系统，将其与日常生活中的建筑物玻璃和汽车玻璃等结合起来，努力开创一个无处不在又悄无声息的无线物联网时代。
来源：西安电子科技大学、DeepTech深科技
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