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在科技飞速发展的今天，数据传输速度和通信设备微型化的需求日益增长。太赫兹技术以其独特的频率特性，被视为未来超高速通信的有力候选者。近日，天津大学太赫兹研究中心、桂林电子科技大学光电工程学院、天津职业技术师范大学联合研究团队采用几何相位结合奇异拓扑相位(ET phase)的调控方式，利用拓扑超表面实现了太赫兹表面等离激元的自旋解耦波前操控。这一成果不仅将奇异拓扑相位的调控方式引入到太赫兹表面等离激元器件的设计中，也为多功能太赫兹器件领域带来了新的设计范式。研究成果以“Topological Metasurface for Spin-Decoupled Wavefront Manipulation of Terahertz Surface Plasmons”为题在线发表在《Laser & Photonics Reviews》上。拓扑超表面的设计灵感来源于非厄米矩阵在其奇异点附近的拓扑性质。通过改变破坏平面对称性的结构参数，可以在其中一个圆偏振转换通道响应的振幅中出现一个特殊点，该点的强度降至零，同时围绕该点的相位能够覆盖完整的2π周期，形成独特的奇异拓扑相位。这种设计提供了一种与入射电磁波偏振手性相关的灵活的相位寻址机制，并在参数空间和光谱中展现出拓扑鲁棒性，为设计自旋解耦波前调制设备提供了有效策略。
研究团队首次以双开口环形谐振器作为拓扑超表面的设计单元，将形成开口的两个不同角度参量作为参数空间的坐标来考察反射琼斯矩阵的非厄米特性，最终能够在参数空间中观察到在工作频率在0.58THz下，单一圆偏振转化通道内反射率为零的奇点，该奇点对应了琼斯矩阵本征值和本征态同时简并时所需的结构参数。同时，在另一圆偏振转化通道的参数空间中，反射振幅和相位都表现出高度均匀的特性，为双开口环形谐振器实现自旋解耦的波前调控功能奠定了的设计基础（图1）。图1. (a,b) 双开口环形谐振器参数示意图；(c) 拓扑超表面显微镜照片；(d-g) 两组圆偏振转化通道在参数空间中的反射振幅分布(d,e)和相位分布(f,g)；(h) 奇点处结构的反射频谱；(i) 奇点处结构反射偏振本征态的椭圆角；(j-m) 反射琼斯矩阵的两个偏振本征态在参数空间中对应的取向角分布(j,k)和椭圆角分布(l,m)。
不同于自由空间光的反射式波前调控器件，表面等离激元的传播束缚在金属-介质界面上，需要将探测器件贴近表面并且还需避免和同侧入射光之间的相互干扰，无法做到利用衍射级或半透半反射器件将激发像面与入射光波前从空间中分离。因此在实验表征方面，基于太赫兹时域近场扫描系统，本工作还将泄露模式设计引入到表面等离激元的传播区域中，将反射式工作器件激发的表面等离激元能量部分泄露到传播金属层的另一侧中，并采用透射式测量方法进行实验表征，很大程度上降低了实验设置复杂度（图2）。图2. (a) 太赫兹时域近场扫描系统示意图；(b)泄露模式仿真示意图；(c) 多层结构显微镜示意图；(d) 用于泄露模式设计的圆孔阵列色散曲线。
由于该泄露模式是通过在原本作为反射层的金属上加工出圆孔阵列作为电磁能量泄露的通道实现的，但由于改变了原本金属层的属性，表面等离激元原有的色散特性也将发生改变。根据仿真中新传播区域内的色散关系得到工作频率下表面等离激元的面内波数，由此来设计双开口环形谐振器阵列实现自旋解耦的波前调控功能所需的相位响应。实验中设计并表征了泄露模式下的表面等离激元在不同圆偏振下的定向聚焦和双聚焦功能，实验测量结果与完整金属层间的仿真结果相吻合，证明了该设计与实验的可行性（图3）。图3.基于拓扑超表面设计的表面等离激元自旋解耦的波前调控功能演示。
奇异拓扑相位的设计原理为光场调控开辟了一种全新的范式，将这一概念应用于表面等离激元体系，不仅丰富了该体系及其功能器件的研究内容，也为奇异拓扑相位的实际应用提供了新的平台。拓扑超表面能够实现对光场的高效调控，包括但不限于光的聚焦、定向传播以及偏振态的转换。同时，将新的设计机制融入表面等离激元体系，也为探究光与物质的相互作用提供了新的视角，这不仅促进了该领域基础理论的发展，也为技术创新和应用实践开辟了新的可能性。
该工作得到了国家自然科学基金、云南专家工作站、天津大学“攀登计划”的支持。天津大学博士生郎元灏为该论文的第一作者，天津大学许全副研究员、韩家广教授以及天津职业技术师范大学李泉副教授为论文的共同通讯作者。
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Lang, Y., Xu, Q., Xu, G., Zhang, X., Li, Q., Han, J., Topological Metasurface for Spin-Decoupled Wavefront Manipulation of Terahertz Surface Plasmons. Laser & Photonics Reviews 2024, 2401281.https://doi.org/10.1002/lpor.202401281
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223801
——由课题组供稿
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