仪器情报，科学家首次提出一种结合空间和时间调制的电调制超表面方案！

【科学背景】

随着光学技术的不断进步和需求的增加，超表面作为一种新型的光学器件，因其能够在二维平面上实现对光波的精细操控而引起了广泛关注。超表面由排列整齐的亚波长散射器构成，通过调节这些散射器的几何形状，实现对入射光的相位、幅度和偏振状态的控制。特别是主动超表面，通过引入外部刺激（如电压、光照、温度等）来动态调节其光学特性，突破了传统被动超表面固定功能的局限，为实现更复杂和动态的光学功能提供了可能。

然而，尽管主动超表面的研究已取得诸多进展，其实际应用仍面临一些挑战。现有的研究主要集中在光波前的空间调控上，但对于光的频率调节和时空变化的结合应用仍有待突破。尤其是在实现快速的时间调制和空间调制的同步控制方面，仍然存在技术上的困难。例如，大多数现有技术在快速时间调制和空间相位梯度调控的速度和精度方面存在局限，导致难以实现复杂的光学功能，如频率混合、谐波束成形及打破洛伦兹对称性等。

针对当前主动超表面技术的局限性，美国加州理工学院（California Institute of Technology）Jared Sisler, Prachi Thureja，Harry A. Atwater等教授合作提出了一种结合空间和时间调制的电调制超表面方案。作者使用基于ITO的两电极等离激元超表面，通过设计时间变化的电压信号，成功生成了多个频率的谐波谱，并在空间上对这些频率进行了独立调控。

实验结果表明，这种技术不仅突破了传统的光波调控模式，还在单一芯片级设备中实现了频率的生成和引导，为光通信和传感领域的应用提供了新的技术途径。通过解决了时空调制同步控制的技术难题，本研究为超表面的应用拓展提供了重要的基础和理论支持。

【科学亮点】

1. 实验首次在近红外波段下实现了电调制的超表面在兆赫兹频率下的操作，以生成任意谐波谱并在空间中独立衍射这些频率。此成果展示了通过在光学频率下提高调制速度和空间相位梯度控制能力，使得在单一设备中实现了复杂的光学功能。

2. 实验通过使用基于ITO的两电极等离激元超表面，设计了时间变化的驱动电压信号来激发感兴趣的频率，并有效抑制了不需要的频率。通过对施加到每个电极的驱动波形中特定频率分量引入相位延迟，成功实现了对每个生成频率在空间上的独立操控。

3. 实验结果表明，频率偏移的光能够被有效地衍射，同时中心频率信号正常反射，显示出优良的束直指性。此技术在单一芯片级设备中实现了频率的生成和引导，具有在光通信和传感领域中的广泛应用潜力。

【科学图文】

图1: 电调控时空超表面。

图2: 基于氧化铟锡indium tin oxide，ITO的等离子体超表面。

图3: 时间调制和波形优化。

图4: 单个谐波的衍射。

图5: 时空调制，以用于任意控制光的光谱和空间特性。

【科学启迪】

本文的研究揭示了在近红外波段下通过电调制超表面进行时空调控的强大潜力，带来了诸多科学价值。首先，通过首次实现兆赫兹频率下的电调制超表面生成和独立衍射任意谐波频谱，这一创新突破了以往超表面技术仅能在固定波长下工作的局限性。这一实验成果展示了电调制超表面在光学频率下的高效操作能力，为动态光学频谱调控开辟了新的方向。

其次，实验中采用的时间变化驱动电压信号和空间相位延迟引入技术，展示了如何通过精确操控频谱来实现光的频率混合、谐波束偏转和成形等复杂光学功能。这不仅为超表面技术在光通信和光学传感等领域的实际应用提供了理论基础，还预示着其在实现更复杂的光学功能方面的广阔前景。

此外，研究结果强调了调制速度和空间相位梯度控制能力的提升对主动超表面性能的关键作用。这表明，未来在超表面设计中，需要进一步探索提高调制速度和空间分辨率的方法，以实现更高性能的光学器件和系统。

总体而言，这一研究成果为时空调控超表面的发展提供了重要的科学依据，并为未来在集成光学器件、光频率调控以及光学通信技术中的应用奠定了坚实的基础。它激发了对超表面技术在更高频率下应用的进一步探索，推动了光学领域技术进步和新兴应用的实现。

原文详情：Sisler, J., Thureja, P., Grajower, M.Y. et al. Electrically tunable space–time metasurfaces at optical frequencies. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01728-9