栏目介绍： “论文快讯”栏目旨在精简地分享一周内发表在高水平期刊上的Metasurface领域研究成果，帮助读者及时了解领域前沿动态，如果对专栏的写法或内容有什么建议欢迎留言，后续会陆续开启其他专栏，敬请期待。
论文基本信息
-
标题: Nonvolatile Switchable Janus Metasurface for Multi-Dimension Encoded Near- And Far-Field Functionalization
-
作者:
通讯作者：Sha Hu(河南工业大学物理学院)；
Zhuoxuan Han(中国科学院物理研究所凝聚态物理国家重点实验室)；
Shuo Du(中国科学院物理研究所凝聚态物理国家重点实验室)；
Chao Wang(河南工业大学物理学院)；
Nannan Hu(中国科学院物理研究所凝聚态物理国家重点实验室)；
Zhiqin Fan(中国科学院物理研究所凝聚态物理国家重点实验室)；
Xin Huang(中国科学院物理研究所凝聚态物理国家重点实验室)；
通讯作者：Changzhi Gu(中国科学院物理研究所凝聚态物理国家重点实验室) -
发表时间: 2024年12月13日
-
发表期刊: Advanced Functional Materials（JCR-Q1，IF=18.5）
论文快览
- 解决的问题： 在电磁波控制领域，传统Janus超表面缺乏可重构性和制造过程复杂，限制了其在显示、信息加密和数据存储等多功能集成应用的发展。
- **提出的方法：**研究者提出了一种集成有相变材料Ge2Sb2Te5 (GST)的非挥发性可重构Janus超表面，通过控制四个自由度（入射波长、偏振、输出方向和GST的相态），实现了对电磁波波前的双功能调控和双面空间不对称波前操控。
- **实现的效果：**实验中，该超表面能够在单一设备中安全加密并主动切换传输型全息图和反射型灰度图像，展示了非挥发性可重构Janus超表面在光学信息加密和显示中的潜力。具体来说，通过调整四个光学参数，成功实现了“HAUT”全息图和“IOP”灰度图的编码和解码，展现了高达60%的透射率和57%的反射率调制能力。
- 创新点分析：该研究的创新在于硬件设计，特别是将相变材料GST与硅基纳米结构相结合，实现了超表面的非挥发性重构和多维度光学参数控制。这种设计不仅提高了超表面的功能性和灵活性，还为光学加密和信息存储提供了新的解决方案。
论文重要图文
-
**摘要：**通过引入电磁波的非常规参数，Janus超表面提供了一种将多种功能集成到单一器件的新策略。然而，传统的Janus超表面由于常采用多层结构，缺乏可重构性且制造工艺复杂。在本文中，展示了一种结合相变材料Ge2Sb2Te5 (GST)的多重加密Janus超表面，该超表面能够实现双功能的可调切换以及双面空间不对称波前操控。通过调控四个自由度（即入射波长、偏振态、输出方向以及GST的相变状态），该超表面可以同时实现透射相位和反射幅度的调控。实验上，在单个超表面中安全加密了一个透射型全息图像和一个反射型灰度图像，并通过两个包含四个光学参数的特定密钥实现了主动切换。这种非易失性可切换Janus超表面在显示、信息加密和数据存储等领域具有潜在应用价值。
-
**结论：**我们展示了一种通过调控四个光学参数实现多通道图像加密的可重构Janus超表面。电磁波在相反的输出方向上的不对称可切换操控得益于非晶态（a-GST）和晶态（c-GST）薄膜的独特光学特性。基于振幅和相位操控的结合，所展示的超表面能够实现近场和远场功能的解耦。通过进一步考虑入射波长和偏振态，双功能性可编码在四个光学参数中。作为概念验证，我们设计并制备了一种可重构Janus超表面，该超表面结合了透射型全息图像与反射型灰度图像。这两个加密图像分别通过包含四个特定光学参数（即入射波长、偏振态、输出方向和GST的相变状态）的两个密钥进行解码。我们提出的Janus超表面同时具备可调重构性、多维光学参数控制以及近场和远场功能化解耦的特点。所展示的超表面在光学信息加密、多功能平面器件、数据存储及其他相关领域具有重要的应用潜力。
-
重要图片：
图1. 多重加密可切换Janus超表面的基本概念
a) 通过密钥1解码，超表面可以重构全息图像，密钥1包含四个参数（x偏振、波长λ1 = 1.55 μm、GST的非晶态、透射远场）。
b) 通过密钥2解码，可以获得高分辨率的灰度图像，密钥2包含四个参数（y偏振、波长λ2 = 1.4 μm、GST的晶态、反射近场）。为了实现近场和远场功能的解耦，需要同时调整四个光学参数至正确状态。插图为定义了几何参数的单元结构示意图。
图2. GST薄膜与基于硅的超表面的模拟结果
a) GST薄膜在非晶态和晶态下的折射率（n）和消光系数（k）。
b) 随着GST薄膜厚度变化的非晶态（a-GST）透射光谱模拟结果。
c) 晶态（c-GST）薄膜反射光谱随厚度变化的模拟结果。
d) 没有GST薄膜的硅纳米砖阵列的反射光谱。
e) 覆盖60 nm非晶态GST薄膜的阵列反射光谱。
f) 覆盖60 nm晶态GST薄膜的阵列反射光谱。插图显示相应的单元结构配置。
图3. 单元结构设计
a) 针对密钥1的透射相位与单元几何参数 LxL_xLx 和 LyL_yLy 的关系。
b) 针对密钥2的GST基超表面的反射率随 LxL_xLx 和 LyL_yLy 变化的关系。 LxL_xLx 和 LyL_yLy 均在100–500 nm范围内变化。
c) 选取了八种单元设计，以实现密钥1的远场相位间隔为 π/2\pi/2π/2，同时密钥2可实现两级近场幅度调制。
d) 双功能Janus超表面的设计原理。
图4. Janus超表面的制造与近场及远场测量的光学装置
a) 制备完成的超表面顶视SEM图像。
b) 表征全息图像的光学装置。
c) 观察加密灰度图像的实验装置。LP：线性偏振片。
图5. 由主动切换的Janus超表面生成的加密图像
a) 由四个光学参数控制的两个密钥示意图。
b) 使用密钥1和密钥2从Janus超表面解码的远场和近场图像的模拟场分布。
c) 对应的实验测量场分布。
参考文献
S. Hu, Z. Han, S. Du, C. Wang, N. Hu, Z. Fan, X. Huang, C. Gu, Nonvolatile Switchable Janus Metasurface for Multi-Dimension Encoded Near- And Far-Field Functionalization. Adv. Funct. Mater. 2024, 2419741.
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202419741
免责声明：
本公众号专注于超表面领域的最新研究动态、学术成果和技术应用分享。所有发布的内容和图片，均已标明来源，且仅供个人学术学习和知识积累使用，不得用于商业目的。如您发现任何版权或相关问题，欢迎通过邮箱 metasurface@126.com 联系我们，我们将尽快处理并协调相关事宜。