近年来，超表面因其对电磁波强大的调控能力得到了广泛关注。其中，数字编码与可编程超表面在传统无源超表面的基础上进行了扩展，将二极管、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）开关等动态元件集成至超表面单元中，并通过外部控制系统对这些元件进行可编程地调控。相比具有固定功能的无源超表面，数字编码与可编程超表面的电磁响应态可由FPGA（Field Programmable Gate Array）等控制器件进行动态切换。因此，利用单个可编程超表面可对近场与远场电磁波进行灵活调控，实现大量可定制的电磁功能。值得注意的是，数字编码的表征方式还将超表面的物理态与信息科学之间建立了桥梁，继而催生了信息超表面。信息超表面在无线通信、电磁成像以及智能运算等电磁信息处理相关领域具有广泛的应用前景。
通过对超表面的数字编码态进行周期式的动态调控便可形成时空编码超表面。由于时间维自由度的引入，时空编码超表面具有更高的设计自由度和对电磁波更加灵活强大的调控能力。利用时空编码超表面可以实现很多奇妙的物理现象和科学应用，例如逆多普勒频移、频率梳生成、可编程洛伦茨互易性、多通道无线通信等。目前，时空编码超表面相关科学与应用的研究愈发成熟，未来有望在成像、雷达探测、无线通信等领域内发挥重要作用。
近日，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授团队（第一作者为吴浩天博士）在Advanced Optical Materials发表了题为 “Robust Spin-Momentum Coupling Induced by Parity-Time Symmetric Spatiotemporal Metasurface”的研究文章。该文章借助1比特时空编码超表面实现了类似拓扑绝缘体中的自旋-轨道耦合现象。
该工作中，当入射电磁波经时空编码超表面作用后，将产生+1阶与-1阶频率的表面电磁谐波，且两种表面波沿着同一轨道的相反方向传播。作者将所生成表面电磁波的+1阶与-1阶频率类比为拓扑绝缘体中电子的上自旋态与下自旋态，表面波的频率与传播方向的锁定则体现了拓扑绝缘体中电子传输的自旋-轨道耦合效应。研究发现，为了产生这一特殊模式的表面传输态，超表面的时空调制序列需具有时间-空间反演对称性，即超表面的时空编码序列经时间和空间翻转后将保持不变。特别地，该设计中超表面的时空编码序列还满足一组特殊的时空差分方程，且这一时空差分方程由外部控制系统调控，不受超表面单元电磁响应的影响，具有天然的鲁棒性。因此，由该时空编码超表面所产生的自旋-轨道耦合效应也具备类似拓扑绝缘体中电子传输的鲁棒性，即当超表面单元的幅度和相位响应产生较小偏移时，两种模式的表面波依旧能够稳定传输，几乎不会产生串扰。相比拓扑电子学与拓扑光子学中的研究工作，该研究所借助的时空编码超表面平台具有加工制作简易及可编程性的特点。这份工作为时空编码超表面和拓扑绝缘体的研究提供了新的视角，并有望推进多通道表面波通信等基于时空编码超表面的科学与应用。
WILEY
论文信息：
Robust Spin-Momentum Coupling Induced by Parity-Time Symmetric Spatiotemporal Metasurface
Haotian Wu, Xinxin Gao, Shuo Liu, Qian Ma, Hao Chi Zhang, Xiang Wan, Tie Jun Cui*
Advanced Optical Materials
DOI：10.1002/adom.202101322
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202101322