崔铁军等在现场可编程拓扑电磁超表面方面取得新进展

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日前，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军院士团队的游检卫研究员等人和英国伦敦大学学院Nicolae C. Panoiu教授合作在拓扑电磁超材料领域取得新进展，设计了具有超快调控速度的现场可编程拓扑电磁超表面，实验结果表明，现场可编程拓扑导波路径的动态切换时间可以达到10纳秒级，对应的调控速度比现有的机械调控方法快7个数量级。相关成果于9月15日以“Reprogrammable plasmonic topological insulators with ultrafast control”为题在线发表在国际学术期刊《Nature Communications》上。

       凝聚态物理中物质拓扑态的发现激发了人们对经典系统中类似效应的研究热情，其中以光学领域的研究成果最为突出。拓扑光子绝缘体具有很多独特的电磁性质，包括电磁波的单向传播特性以及缺陷免疫特性等，因而可以作为一种鲁棒调控电磁波的理想平台。当前，大部分拓扑光子绝缘体只能实现某种特定的静态拓扑电磁功能，其可重构性非常有限。此外，现有静态拓扑光子晶体只能在拓扑边界面上形成导波路径，浪费了拓扑光子晶体的巨大内部空间，因而限制了拓扑光电器件的紧凑度和小型化。在未来的实际应用中，为了提高集成度和降低设计制造成本，拓扑光电器件必然会朝着多功能单片集成方向发展。为此，人们不断地探索可重构拓扑光子绝缘体。当前，大部分可重构拓扑光子绝缘体都是通过机械或者加热的方式改变其几何参数或材料参数来实现。然而，在实际工程应用中，大部分的拓扑光子晶体一旦加工完成，其几何参数和材料参数都不容易改变。此外，传统的机械调控和加热调控的方式都需要额外添加调控装置，不利于后续的光电集成，且调控速度通常有限。近年来，现场可编程电磁超表面的兴起为可重构拓扑光子绝缘体的高速电控研究开辟了一种数字化的全新调控思路。
        该研究团队结合可编程电磁超表面的灵活可调性和拓扑光子晶体的鲁棒导波特性，理论提出和实验验证了一种超快现场可编程拓扑电磁超表面。为了实现电控可编程性，蜂窝状排列的单元结构包含对称分布的六个电控二极管。通过控制二极管的开关状态，可以调控单元结构的空间对称性，进而实现拓扑能带的动态操纵。相比于现有可重构拓扑光子绝缘体，此项工作提出的现场可编程拓扑电磁超表面具有两个显著的创新优势：首先，相比于现有温控或机械调控的可重构拓扑光子绝缘体，现场可编程拓扑电磁超表面的每个单元结构都实现了独立电控编码功能，因而调控精度和调控速度都是传统可重构拓扑光子绝缘体无法比拟的；其次，此项工作提出的现场可编程拓扑电磁超表面可以用印刷电路板(PCB)技术加工制备，因而可以和广泛使用的光电集成电路无缝集成，实现传统可重构拓扑光子绝缘体无法获得的高集成度。以上创新优势对于未来开发多功能和智能拓扑光电器件有着至关重要的作用，具有潜力巨大的实际工程应用价值。拓扑光子学先驱Alexander Khanikaev教授(OSA Fellow)称赞此项工作是“拓扑光子学的一个重要里程碑”。
        论文通讯作者为东南大学崔铁军院士和英国伦敦大学学院(UCL) Nicolae C. Panoiu教授，东南大学游检卫研究员（前UCL博士后）和马骞博士为共同第一作者。该工作得到了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家自然科学基金、111引智计划、欧盟ERC等项目的资助。  
       文章链接:www.nature.com/articles/s41467-021-25835-6


      文章来源：东南大学
      崔铁军，东南大学信息科学与工程学院教授、博导，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2003年获得国家杰出青年科学基金。2019年当选为中国科学院院士。在Science、Nature 子刊、美国科学院院刊和PRL 等发表相关论文400余篇，出版专著3 部，论文被SCI 正面他引1万余次，授权国家发明专利63 项；作为第一完成人获2014 年国家自然科学二等奖、2018年国家自然科学二等奖、2016年军队科学技术进步一等奖及2011年教育部自然科学一等奖。崔铁军对超材料进行了系统性研究，创造性地提出用数字编码表征超材料的新思想及控制电磁波的新方法，实现了数字编码和可编程超材料，能实时操控电磁波和编码信息，开创了信息超材料新方向。首次从微波传输线的角度研究表面等离激元（SPP）超材料，发明了一种超薄、柔性、条带式SPP传输线。与传统微带线相比，其传输特性可定制，并可显著降低传输线间的互耦和干扰。研制出一系列SPP无源器件和有源器件，开辟了基于SPP传输线的微波技术新方向。在传统超材料领域，实现了宽带、低损耗超材料的快速准确设计，在国际上率先实验验证了“电磁黑洞”和三维宽带“隐身斗篷”等物理现象，解决了超材料在某些国防应用中的瓶颈问题，并应用于中国航天、航空、船舶等部门武器装备的研制。