日前，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室崔鐵軍院士團(tuán)隊(duì)的游檢衛(wèi)研究員等人和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院Nicolae C. Panoiu教授合作在拓?fù)潆姶懦牧项I(lǐng)域取得新進(jìn)展，設(shè)計(jì)了具有超快調(diào)控速度的現(xiàn)場(chǎng)可編程拓?fù)潆姶懦砻妫瑢?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)可編程拓?fù)鋵?dǎo)波路徑的動(dòng)態(tài)切換時(shí)間可以達(dá)到10納秒級(jí)，對(duì)應(yīng)的調(diào)控速度比現(xiàn)有的機(jī)械調(diào)控方法快7個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)成果于9月15日以“Reprogrammable plasmonic topological insulators with ultrafast control”為題在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。

凝聚態(tài)物理中物質(zhì)拓?fù)鋺B(tài)的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對(duì)經(jīng)典系統(tǒng)中類(lèi)似效應(yīng)的研究熱情，其中以光學(xué)領(lǐng)域的研究成果最為突出。拓?fù)涔庾咏^緣體具有很多獨(dú)特的電磁性質(zhì)，包括電磁波的單向傳播特性以及缺陷免疫特性等，因而可以作為一種魯棒調(diào)控電磁波的理想平臺(tái)。當(dāng)前，大部分拓?fù)涔庾咏^緣體只能實(shí)現(xiàn)某種特定的靜態(tài)拓?fù)潆姶殴δ埽淇芍貥?gòu)性非常有限。此外，現(xiàn)有靜態(tài)拓?fù)涔庾泳w只能在拓?fù)溥吔缑嫔闲纬蓪?dǎo)波路徑，浪費(fèi)了拓?fù)涔庾泳w的巨大內(nèi)部空間，因而限制了拓?fù)涔怆娖骷木o湊度和小型化。在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中，為了提高集成度和降低設(shè)計(jì)制造成本，拓?fù)涔怆娖骷厝粫?huì)朝著多功能單片集成方向發(fā)展。為此，人們不斷地探索可重構(gòu)拓?fù)涔庾咏^緣體。當(dāng)前，大部分可重構(gòu)拓?fù)涔庾咏^緣體都是通過(guò)機(jī)械或者加熱的方式改變其幾何參數(shù)或材料參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，大部分的拓?fù)涔庾泳w一旦加工完成，其幾何參數(shù)和材料參數(shù)都不容易改變。此外，傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)控和加熱調(diào)控的方式都需要額外添加調(diào)控裝置，不利于后續(xù)的光電集成，且調(diào)控速度通常有限。近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)可編程電磁超表面的興起為可重構(gòu)拓?fù)涔庾咏^緣體的高速電控研究開(kāi)辟了一種數(shù)字化的全新調(diào)控思路。

該研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合可編程電磁超表面的靈活可調(diào)性和拓?fù)涔庾泳w的魯棒導(dǎo)波特性，理論提出和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種超快現(xiàn)場(chǎng)可編程拓?fù)潆姶懦砻妗榱藢?shí)現(xiàn)電控可編程性，蜂窩狀排列的單元結(jié)構(gòu)包含對(duì)稱(chēng)分布的六個(gè)電控二極管。通過(guò)控制二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以調(diào)控單元結(jié)構(gòu)的空間對(duì)稱(chēng)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)拓?fù)淠軒У膭?dòng)態(tài)操縱。相比于現(xiàn)有可重構(gòu)拓?fù)涔庾咏^緣體，此項(xiàng)工作提出的現(xiàn)場(chǎng)可編程拓?fù)潆姶懦砻婢哂袃蓚€(gè)顯著的創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)：首先，相比于現(xiàn)有溫控或機(jī)械調(diào)控的可重構(gòu)拓?fù)涔庾咏^緣體，現(xiàn)場(chǎng)可編程拓?fù)潆姶懦砻娴拿總€(gè)單元結(jié)構(gòu)都實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立電控編碼功能，因而調(diào)控精度和調(diào)控速度都是傳統(tǒng)可重構(gòu)拓?fù)涔庾咏^緣體無(wú)法比擬的；其次，此項(xiàng)工作提出的現(xiàn)場(chǎng)可編程拓?fù)潆姶懦砻婵梢杂糜∷㈦娐钒?PCB)技術(shù)加工制備，因而可以和廣泛使用的光電集成電路無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)可重構(gòu)拓?fù)涔庾咏^緣體無(wú)法獲得的高集成度。以上創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)對(duì)于未來(lái)開(kāi)發(fā)多功能和智能拓?fù)涔怆娖骷兄陵P(guān)重要的作用，具有潛力巨大的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。拓?fù)涔庾訉W(xué)先驅(qū)Alexander Khanikaev教授(OSA Fellow)稱(chēng)贊此項(xiàng)工作是“拓?fù)涔庾訉W(xué)的一個(gè)重要里程碑”。

論文通訊作者為東南大學(xué)崔鐵軍院士和英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL) Nicolae C. Panoiu教授，東南大學(xué)游檢衛(wèi)研究員（前UCL博士后）和馬騫博士為共同第一作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、111引智計(jì)劃、歐盟ERC等項(xiàng)目的資助。 

文章鏈接:www.nature.com/articles/s41467-021-25835-6