超表面（metasurface）是一种厚度小于波长的超薄人工结构，它可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。
通常，传统光学元件的物理尺寸大，而超表面光学器件通过其不同纳米的结构与光相互作用，用一层极薄的平面结构就可以达到同等的效果。 随着超表面在无源光学（passive optics）发展的日趋成熟，科学家们的研究重点开始由不同波段适用的材料以及纳米结构的设计转为利用实时调控（active tuning）。实时调控功能的出现，可极大地增加超表面器件的自由度和应用空间。
基于此，来自麻省理工学院的研究团队基于光学新型相变材料（optical phase change materials），该团队开发出一种光学超表面的集成调控平台，为可调控光学器件和光学系统的小型化提供了可行性方案。相关论文以《基于低损耗光学相变材料的非易失性电控超表面》（Electrically reconfigurable non-volatile metasurface using low-loss optical phase-change material）为题在Nature Nanotechnology上发表。由于相变材料晶态和非晶态的光学性质（包括折射率和消光系数）存在巨大的差异，同样尺寸的相变材料可实现比其他材料大几个数量级的调控幅度。
图| GSST 晶态、非晶态的折射率（左轴）和消光系数（右轴）（来源：Nature Nanotechnology）
在传统应用上，相变材料多用于电子存储和 CD、DVD 等光学存储。传统的相变材料并未经过针对光学应用的系统性优化，消光系数过高，因此，在光学应用中会带来较严重的光损耗。
此前，该研究团队提出一种有别于传统相变材料的新型光学相变材料，即 GSST。与传统的相变材料 GST 不同，GSST 相变材料用 Se 元素替换了部分 Te 元素，能在维持较大折射率差的前提下，在晶态和非晶态均做到红外透明，从而极大地降低了光损耗。
据该团队介绍，若想能够完全非晶化，GST 纳米结构的厚度极限约为 100 纳米。相比传统相变材料GST，GSST 材料本身更容易非晶化，这使得其超表面纳米结构的大小不会被熔淬（melt-quench）状态的降温速率影响。
此次实现超表面实时调控的研究中，该研究团队依然选择了新型光学材料 GSST。通过微纳加工制造了含有约 10 万个 GSST 纳米结构的超表面器件，连同它的调控电路集成在同一硅片上，由此实现了整个系统的小型化。 最初，该团队尝试直接将电脉冲施加在相变材料结构上，却发现大尺寸相变材料的晶化过程并不会覆盖整个结构，而是会先形成能导电的晶化通道，电流集中在这些晶化通道中，阻碍了整个结构的晶化过程。
随后，他们采用金属加热结构，并逐步摸索出了金属的材料选择和形状优化方案，最终成功实现了集成化的超表面实时调控。
图| 相变超表面的电学调控示意图（左）；集成在硅片上的超表面器件阵列（右）（来源：Nature Nanotechnology）
相比于其他光学调控技术，相变材料具备非易失性（non-volatile），能大大降低能耗。这意味着，任何一个态的维持都不需要外界能量的输入，只能在调控的时候进行能量输入。
事实上，可调控超表面是一项平台技术，这项技术中超表面的使用以及与调控电路的整体集成，为可调控光学器件和很多光学系统的小型化提供一种可能的方案。
在过去，相变超表面的调控通过激光扫描等方式来实现，但调控的耗时较长，且未使用可集成的解决方案，因此极大地限制了可调控超表面的应用场景。
对此，该研究团队采用的方式是，在 GSST 相变超表面的下方加入一片钛/铂金属，通过在该金属两边施加不同振幅和时长的电脉冲，对相变材料的晶化状态进行控制，从而实现相变超表面的可逆调控。而且，对于超表面光学性质的调控并不仅限于两个状态（bi-state），也可以是准连续的（quasi-continuous）。
此外，他们还对这片金属的几何形状进行了优化，以实现超表面区域中更为均匀的温度分布。这样一来，既提升了 GSST 材料在反复相变下的稳定性，又实现了大尺寸的超表面调控，最大尺寸可达 400 μm X 400 μm，已经满足了多种实际应用场景下的尺寸需求。
图 | 超表面区域的温度分布（左为未经过优化的结果；右为经过优化的结果）（来源：Nature Nanotechnology ）
凭借这一调控方案，研究人员在该研究中展示了一系列超表面光学的应用，包括绝对调制幅度达到 30% 的反射强度调制器（reflection modulator）、频谱覆盖达到半倍频程（half-octave）的准连续光谱滤波器（quasi-continuous spectral filter）以及光束控制器（beam-steering device）。
其中，超表面光束控制器采用非对称的超表面单元设计，在非晶态下起到了类似闪耀光栅的作用，正入射下反射时有一定角度；而在晶态下，由于两个纳米结构的反射相位都为0。
因此，器件起到了“平面镜”的作用，正入射下反射角为 0 度。对光束出射角度的实时调控功能，是实现光束控制器的关键。
图| 基于相变材料的超表面光束控制器（来源：Nature Nanotechnology）
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