Janus是罗马的创造之神，有两幅不同的面孔，一幅面向过去，另一幅面向未来。层状超材料是一种人工介质拓扑结构，具有控制电磁波的频率、极化和相位的能力，这是天然结构所没有的物理性质。研究人员发现，通过不同介质的不对称排列、非线性Kerr介质的引入、频率选择表面等特定的设计方法，层状超材料中反向传输的电场表现出不同的电磁特性。受罗马神话的启发，他们称这种现象为层装材料的Janus特性。Janus层状超材料(JLM)通过增加传播方向维度来控制电磁波的电磁特性，极大地拓展了层状超材料的研究和应用领域。
液晶(LC)被认为是一种在毫米波到太赫兹(THz)宽频率范围内具有可调谐相对介电常数的材料。更具体地说，向列液晶作为一种各向异性材料，其磁场和电场可以调节液晶分子的取向(即液晶分子的长轴)，从而改变LC的相对介电常数。由于LC具有高双折射性和可调性，可用于设计可调器件，如移相器和调制器。
随着科学技术的飞速发展，介于红外和微波之间的THz已逐渐进入人们的视野。由于THz的优越性能，它已被广泛应用于下一代计算和通信系统、生物医学、无损检测等领域。基于THz技术的光学逻辑门是未来芯片级紧凑型光集成电路的重要组成部分，如数字处理、计算和开关。目前广泛使用的传统电子逻辑门存在时延不等和热损耗大的缺点，因此具有高速度、小体积、大容量、低损耗等优点的光学逻辑门具有相当大的应用潜力。与x射线的光子能量相比，THz波具有非常低的光子能量，不会对人体和生物组织造成伤害，因此可以用于生物传感。由于对紧凑、小型化生物检测设备和快速反应的需求日益增加。太赫兹生物传感器具有广泛的医学应用范围，它具有直接进行实时生物分子检测、高灵敏度和无需标记的优点。虽然以往的生物传感器具有优异的传感性能，但它们的传感功能单一，不具有多尺度。因此适合各种应用场景的多尺度多任务太赫兹器件具有一定的研究前景。
如图1所示，本文提出了一种工作在THz区域的JLM，该材料通过引入非线性Kerr介质来增加传播方向维度上控制电磁波的电磁特性。它能在多尺度上实现不同的逻辑门和模式切换的生物传感，具备多任务处理的能力，突破了传统的单一功能和单一尺度THz器件。由于电光效应，LC受电场方向调节，利用定位缺陷模共振产生的锐利透射峰(见图2)，前向尺度上的与门(AND)和后向尺度上的同或门(XNOR)可以被实现(见图3)。此外，通过锁定锐利的透射峰，生物传感在LC调制下可以有不同的检测范围。因此，当电磁波向前和向后传播时，可以实现300~550 g/L范围内葡萄糖浓度(见图4)，80.9~85.28 μmol/L范围内肌酐浓度(见图5)和折射率为1.33~1.38范围内的血液组分(见图6)的不同生物传感类别的模式切换。提出的JLM为芯片级紧凑型光集成电路的设计提供了可能，为多用途生物医学检测提供了新的思路，具有一定的研究价值。
图1 提出的JLM的结构图
图2 电磁波在V1和V2同时存在的情况下向前传播的图。(a)无缺陷层情况下的反射率和T值曲线。(b)引入缺陷层后透射峰的值曲线。(c) f=0.3849 α时电场能量正向传播的模拟图
图3 在偏置电压V1和V2调制下形成透射谱，实现不同的逻辑运算。(a)AND逻辑门是在电磁波正向传播下实现的。(b)在电磁波反向传播下实现XNOR逻辑门
图4 V1和V2同时存在下的CG生物传感原理图。a)不同加速度加速度下的透射峰。b)连续变化的传输峰值。c) nD与传输峰值频率点的线性拟合关系。d)不同CG下的Q、DL和FOM
图5 V1和V2同时存在时的CC生物感应原理图。a)不同CC下的传输峰。b)连续变化的传输峰。c) nD与传输峰值频率点的线性拟合关系。d)不同CC下的Q、DL和FOM
图6 血液成分生物传感在没有V1和V2的情况下的反向比例示意图。a)不同血液成分下的传播高峰。b)连续变化的传输峰值。c) nD与传输峰值频率点的线性拟合关系。d)不同浓度血液成分下的Q、DL和FOM
团队介绍
章海锋现任南京邮电大学电子与光学工程学院光电信息科学与工程系教授，系主任，硕士生导师，领导科研团队“不可能完成的Mission”。作为负责人，近年来主持国家及省部级项目8项。2011年至今，以第一作者或者通信作者在SCI/EI检索期刊上发表280余篇，第一作者发表的SCI/EI论文已经累计被他引5090余次，，2022-2023年，连续两年入选由斯坦福大学John P. A. Ioannidis教授团队发布的全球前2%顶尖科学家榜单“终身科学影响力排行榜(1960-2022)，(1960-2023)”与“2022年, 2023年度科学影响力排行榜”。
2020年-2023年发表的4篇论文分别被美国光学协会(OPTICA)评为2020年度和2021年度“Spotlight on Optics”论文；是美国物理联合会(AIP)、美国光学协会(OPTICA)、英国物理学会(IOP)、电气和电子工程师协会(IEEE)、Elsevier 综合类学术期刊的活跃作者。2020 年，出版专著《周期性等离子体介质结构的电磁特性及应用研究》，（章海锋，文永刁，哈尔滨工业大学出版社，）该书列入“十三五”国家重点图书出版规划项目《航天先进技术研究与应用系列》（国之重器出版工程），并入选2017年度国家出版基金资助项目《航天先进技术研究与应用系列》。并已经申请专利数十项，授权100余项。在学术兼职方面，现任中国（南京）知识产权保护中心技术专家库专家，长期担任应用电磁学、光学、等离子体技术等领域重要国际SCI 期刊论文审稿人。
眭钧阳，2002年出生，目前就读于南京邮电大学。主要的研究方向为光子晶体，超构体，Janus现象，逻辑门和传感。目前在Physics of Fluid，Applied Physics Letters，IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，Optics Letters，Optics Express等期刊上发表论文十余篇。
文章信息
The Janus layered metamaterial modulated by liquid crystal with multitasking of different logic gates and mode-switching biosensing
Jun-Yang Sui, Si-Yuan Liao, Jia-Hao Zou, and Hai-Feng Zhang
Physics of Fluids 36, 047140 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0208172
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