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第一作者：Siddharth Doshi
通讯作者：Nicholas A. Melosh ，Mark L. Brongersma
通讯单位：斯坦福大学
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02042-4
摘要
本研究提出了一种电化学可变的软性超表面，利用软导电聚合物的膨胀特性来改变超表面元素的形状及其共振响应。这种几何调整克服了依赖材料折射率调谐的动态超表面固有的在实现大幅调节和低光学损耗之间的权衡。使用商业化聚合物PEDOT:PSS，我们展示了动态、高分辨率的颜色调节和高衍射效率（>19%）的光束转向装置，这些装置在CMOS兼容电压（约1.5V）下工作。这些结果突出了软材料的可变形性如何使一类高性能超表面成为适合穿戴技术的候选者。
研究成果
美国斯坦福大学（Stanford University）Siddharth Doshi，Nicholas A. Melosh & Mark L. Brongersma在《Nature Materials》上发表了题为“Electrochemically mutable soft metasurfaces”的论文，研究团队成功创建了一种新型的电化学可变软性超表面，这种超表面能够通过电化学诱导的离子插层和去插层来控制聚合物PEDOT:PSS的膨胀和收缩，从而动态调整超表面光学特性。通过改变聚合物与金属镜面之间的距离，可以改变光在法布里-珀罗（Fabry-Pérot, FP）腔体内的传播相位，进而改变共振的光谱位置以及反射的相位和幅度。利用这种原理，研究者们实现了高分辨率颜色图案的动态调节和高效率的光束转向。
论文亮点
1.电化学调控软性超表面：首次展示了通过电化学方法调控软性超表面，利用PEDOT:PSS聚合物的膨胀特性来动态调整超表面光学响应。
2.高分辨率颜色调节：实现了高分辨率颜色图案的动态调节，展示了在1.5V电压下工作的高衍射效率（>19%）光束转向装置。
3.低光学损耗：通过几何调整避免了动态超表面中常见的在实现大幅调节和低光学损耗之间的权衡，提供了一种新的超表面调控机制。
图文导读
图1：展示了EMuS超表面的工作原理和高分辨率颜色图案的动态调节。通过在电解质溶液中施加电化学势，引起PEDOT:PSS层的膨胀/收缩，进而实现FP共振的红/蓝移。
图2：展示了EMuS超表面如何通过聚合物膨胀调谐光谱幅度和相位响应。通过模拟和实验数据，展示了在不同电压下PEDOT:PSS厚度的变化及其对反射光谱的影响。
图3：展示了设计用于动态光束转向的梯度超表面的设计原理。通过分析周期性超表面的反射特性如何随高度和条带宽度变化，实现了光束在两个衍射阶之间的动态重定向。
图4：展示了在可见光波长下高对比度、高效率的光束转向。通过在-1.5V和+1.5V之间循环电压，超表面动态地在零阶和一阶衍射阶之间切换。
结论
利用软聚合物的大膨胀特性，实现了比通过电调材料折射率更大的光路长度调节，从而在最小化吸收损耗的同时实现了大的反射相位变化。这种策略扩展了基于聚合物的光子学的功能性，并为可见光的相位控制提供了实际应用的相关性，例如在可穿戴技术中直接在弯曲的智能玻璃或水凝胶隐形眼镜上实现可寻址全息图。
理论计算
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