几何相位是物理学多个领域的重要概念，包括凝聚态物理、引力与宇宙学以及量子系统。在光学中，它被称为Pancharatnam–Berry（PB）相位，具备无色散特性。只需通过旋转超表面上各向异性的天线，便可实现与旋转方向相关的相位调制量，这是PB相位在超表面设计上所体现出的极大优势。目前PB相位被广泛应用于实现偏振敏感的超表面设计，如超透镜、全息显示、角动量调控等。然而，尽管PB相位潜力巨大，但其始终应用于静态超表面，固定的天线方位分布导致单一的功能，难以满足多样化和动态变化的应用需求。
当前，可调动态超表面工作层出不穷，实现方案包括利用微机电系统（MEMS）、光学参量复用，以及引入可调谐材料，例如相变材料和液晶。实现原理则通常采用共振相位，而非几何相位。共振相位调控依赖于结构几何尺寸和周围环境，为得到适合的天线参数，超表面设计前期需要对天线结构尺寸进行遍历，过程复杂并且工作量大。此外，共振相位对波长敏感，不适用于宽带应用。相比之下，PB相位仅依靠天线旋转和偏振转换路径，便能够实现相位调控，在超表面天线参数选择上具有更强的鲁棒性。因此，将动态超表面与PB相位相结合，可在简化结构筛选流程的同时扩展工作带宽。然而现有基于的动态超表面工作仍依赖复用技术或复杂的MEMS系统，使得开发简便、高效的动态PB相位调控方案的研究亟待进一步突破。
为实现基于几何相位原理的动态超表面，研究团队创新性地采用相变材料二氧化钒和金构成双层分裂圆环结构天线，利用巧妙的结构设计方案和二氧化钒在不同温度下的相变特性，首次实现了基于异质集成纳米天线结构的PB相位动态调控。图一展示了超表面设计过程，主要包括如下设计步骤：(1) 确定加热前后的目标功能；(2) 通过全息算法计算相位分布；(3) 选择合适的天线构建超表面；(4) 进行实验验证设计理念。
双层天线每层都由长弧和短弧合理排列的分裂圆环组成，每层的对称轴方向均遵循PB相位设计原理。其中底层天线用到的二氧化钒材料是温控相位调制功能实现的关键，其可在绝缘态和金属态之间转换。当二氧化钒处于绝缘态时，由于厚度极薄，其与太赫兹波的相互作用可以忽略不计，单元结构的整体方向角主要由上层金分裂圆环的对称轴方向决定；加热后，二氧化钒转变为金属态，由于上下层圆环的紧密排列，上层与下层未对齐的三个间隙会发生电磁耦合，从而此时单元结构的光学对称轴方向主要由下层二氧化钒天线决定。研究团队依据双层结构的旋转角度进一步构建了天线结构库，便于检索合适的天线结构，匹配温变前后的相位值。
图3 可切换异常折射功能的仿真与实验结果
为进行实验验证，研究团队制造了三种具有不同功能组合的超表面，每个超表面均由100×100像素组成，尺寸为10×10mm²。制备的第一个超表面的功能为可切换异常折射，其仿真与实验结果如图3所示。基于广义Snell定律，目标超表面实现了温变前后将入射的右旋圆偏振光分别偏转到-1和+1衍射级次。理论上，经过8阶相位梯度、周期为100微米的超表面可在0.6 THz工作频率下将光束偏折到±38.6°方向，而最终实验结果在误差允许的情况下符合理论计算结果。制备的第二个和第三个超表面的功能分别为可切换涡旋光束和可切换全息显示，其仿真与实验结果如图4所示。其中可切换涡旋光束拟在温变前后产生拓扑电荷数分别为±1的涡旋光束，而全息显示拟在温变前后实现不同字母的全息再现，图中良好的成像效果均证实了动态几何相位设计的可行性。若扩大超表面阵列、采用更精确的测量或更小的扫描步长，可以进一步提高图像质量。
图4 可切换涡旋光和动态全息显示功能的仿真与实验结果
本研究提出的异质集成超表面设计首次实现了PB相位的温控动态调控，避免了复杂复用技术的依赖。通过可切换异常折射、涡旋光束及动态全息显示的实例验证，展现了该方法在光学应用中的广阔前景。这一设计可进一步扩展至红外、可见光等更高频段，为动态光学器件开发提供新思路。
该成果于12月15日发表在国际顶级期刊Advanced Materials，题为“Switchable Pancharatnam–Berry phases in heterogeneously integrated THz metasurfaces”。军事科学院助理研究员董博文和北京理工大学博士研究生祝双琦为本文共同第一作者，北京理工大学黄玲玲教授、王涌天教授，香港大学张霜教授，天津大学张学迁教授为论文的共同通讯作者。
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https://doi.org/10.1002/adma.202417183
