拓扑可重构太赫兹超材料器件

研究背景

太赫兹频段位于微波与红外辐射之间，已成为高速通信、成像、传感及生物传感等领域的重要应用前沿。拓扑太赫兹超材料器件的开发标志着光子技术的重要突破，其利用了拓扑材料固有的独特电子特性与量子启发现象，成为芯片级数据传输和光子集成电路的关键组件，尤其在新兴的6G通信架构中。其核心优势在于能维持低损耗波传播，这是高频功能元件的关键需求。同时，通过运用液晶、等离子体及相变材料等先进介质，这些器件可实时调控振幅、频率和相位等核心波参数，从而增强通信与传感系统的功能性，为太赫兹技术开辟全新发展路径。

研究进展

太赫兹拓扑超材料作为一种亚波长二维人工电磁材料，通过拓扑物理特性实现对太赫兹波的强健波前控制与无损边缘态传播。其独特结构可操控太赫兹波，从而提升太赫兹辐射向电信号的吸收与转换效率。该器件可集成于芯片级电路中，实现太赫兹波的芯片级操控与检测，从而推动紧凑型高性能太赫兹通信与成像系统的研发。超材料器件中的超原子可设计为在宽频段太赫兹频率范围内产生共振，从而实现对广谱太赫兹波的检测（图1）。

可重构太赫兹器件通过集成响应外部刺激的机制，突破了传统静态架构的固有局限。借助电场、温差或光激发实现的精密调制，这些自适应系统能够实时控制光束转向、相位操控、偏振转换及光谱特性，展现出前所未有的操作灵活性与多功能性。具体而言，相较于光调制与热调制方法，电调制可重构平台因其低成本、低能耗及可编程特性而备受关注。这类动态平台不仅构筑了智能太赫兹系统的基石，更加速了其在下一代通信、实时高光谱成像及先进传感技术领域的实际应用。当前可重构太赫兹器件主要分为四类：液晶基配置、等离子体增强型超器件、相变材料架构以及机械可重构超器件（图2）。

未来展望

可重构拓扑太赫兹超器件仍面临多重技术障碍亟待攻克。未来研究将聚焦两大互补策略：一方面开发具有增强开关动力学和频谱响应特性的新型材料，以提升太赫兹频率可重构性并降低能量损耗；另一方面通过整合机器学习算法，实现器件架构的自主优化与信号调制参数的自适应控制。此外，新型先进太赫兹可重构拓扑平台的开发需要材料创新与制造工艺的协同突破，尤其是纳米制造技术，这对实现高效电磁波操控所需的复杂几何结构至关重要（图3）。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0882