近日，南京大学吴培亨院士课题组金飚兵教授和吴敬波教授联合紫金山实验室，研制出具有交叉开关架构的太赫兹可编程超表面，通过行列相位编码的模加运算实现了波束在半空间的自由扫描。该成果以“Modulo-addition operation enables terahertz programmable metasurface for high-resolution two dimensional beam steering”为题发表在Science Advances（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi7565）。
太赫兹波是介于微波和红外之间，频率为0.1~10 THz的电磁波。相比于微波，太赫兹波段频谱资源更为丰富，成像分辨率更高，因此在高速无线通信、通感一体化、目标探测等领域展现了巨大的应用潜力。然而，太赫兹波的路径损耗较高，波束赋形技术对于提升工作距离至关重要。传统的波束赋型技术，如机械扫描天线、有源相控阵等，在可靠性、成本等方面仍然存在诸多挑战。近年来，基于人工电磁结构和可调谐材料的可编程超表面（智能超表面）涌现出来，它为太赫兹波束赋形技术提供了极具前景的解决方案。为了满足6G通信的应用需求，需要开发大规模阵列器件实现高指向性、全空间的太赫兹波束扫描。然而，现有可编程超表面中，每个相控单元都需要独立的控制线以实现状态保持，这给阵列规模的提升和二维拓展带来了巨大挑战。
针对上述挑战，团队创新性引入交叉开关架构，基于相位编码与远场的傅里叶变换关系，理论推导出通过行列编码的模加运算可以实现太赫兹波束在半空间的自由扫描。在实验中，利用双频液晶制备出56×56单元的电控可编程超表面，其行列相位编码满足模加运算关系，成功实现了高指向性太赫兹波束的二维调控。这一方案极大地简化了大规模阵列可编程器件的馈电网络，并可以拓展到其他电磁波段。
该工作由南京大学和紫金山实验室共同完成。南京大学吴敬波教授和金飚兵教授为论文共同通讯作者，南京大学博士生李威力、博士后陈本纹为共同第一作者，南京大学范克彬副教授、张彩虹教授、王华兵教授、陈健教授和吴培亨院士给予了重要建议，研究生胡心昱、郭航兵、汪晟亦有重要贡献。该项目得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、江苏省电磁波先进调控技术重点实验室、极端性能光电技术教育部重点实验室和小米青年学者-科技创新奖的支持。
