本文介绍了一项关于超薄Pancharatnam-Berry（P-B）相位超表面的研究，该研究由Xumin Ding、Francesco Monticone、Kuang Zhang等作者共同完成，并于2015年发表在《Advanced Materials》期刊上。该研究的主要目标是设计和验证一种超薄平面金属透镜（metasurface），能够在微波频率下实现高效的异常折射和偏振控制的双功能特性。
随着人工工程超材料（metamaterials, MTMs）的发展，科学和技术领域取得了重要进展。例如，负折射率超材料被用于提出超越传统阿贝分辨率极限的成像功能。然而，传统的超材料和变换光学（transformation optics, TO）设计的金属透镜仍然遵循常规的折射定律，透镜的厚度是实现特定折射效果的关键因素。尽管菲涅尔透镜提供了一种解决方案，但其厚度仍然受到限制。因此，研究团队提出了一种基于相位不连续性的超表面设计，通过引入表面上的突变相位变化，替代传统透镜中的相位积累，从而实现超薄平面金属透镜的设计。
研究团队设计并实验验证了一种超薄平面金属透镜，其厚度约为波长的1/1000，能够在微波频率下实现高达24.7%的异常交叉偏振传输效率，接近理论预测的25%上限。该透镜的设计基于Pancharatnam-Berry（P-B）相位元件，通过空间变化的轴向来引入和调控偏振依赖的相位变化。由于这种相位调控特性，该透镜还表现出双功能性，即通过控制入射波的旋向性（左旋或右旋圆偏振），可以实现会聚和发散功能的互换。
研究的主要流程包括以下几个步骤： 1. 理论分析：研究团队首先扩展了线性偏振下超薄超表面效率的物理限制，推导出在圆偏振基下的非线性方程，证明了交叉偏振传输效率的理论上限为25%。 2. 单元设计：研究团队设计了一种超薄单元结构，通过优化单元尺寸和形状，实现了所需的传输效率。该单元的尺寸约为波长的1/6，能够在9.8 GHz的频率下实现高效的交叉偏振传输。 3. 相位调控：通过旋转单元的方向，研究团队实现了空间变化的相位调制，证明了P-B几何相位在超薄超表面中的应用。通过Poincaré球的可视化，研究团队展示了空间变化的偏振调制如何导致相位变化。 4. 实验验证：研究团队通过实验验证了该超薄金属透镜的异常折射效果，测量结果显示其交叉偏振传输效率接近理论极限。此外，研究团队还展示了该透镜的双功能性，即通过改变入射波的旋向性，可以实现会聚和发散功能的互换。
研究团队通过理论分析、数值模拟和实验验证，证明了该超薄金属透镜的高效异常折射和双功能性。具体结果包括： 1. 异常折射：在9.8 GHz的频率下，该透镜的异常折射角为37.75°，与理论预测和数值模拟结果一致。实验测量结果显示，交叉偏振传输效率为24.7%，接近理论极限。 2. 双功能性：通过改变入射波的旋向性，该透镜可以实现会聚和发散功能的互换。实验结果显示，在右旋圆偏振（RCP）入射下，透镜表现为会聚透镜；而在左旋圆偏振（LCP）入射下，透镜表现为发散透镜。
该研究提出并验证了一种基于P-B相位元件的超薄平面金属透镜，展示了高效的异常折射和偏振控制的双功能性。该透镜的交叉偏振转换效率接近理论极限，且其厚度仅为波长的1/1000，具有显著的厚度减少和多功能性。该技术为微波频段的波前操控、信息处理和成像应用提供了新的可能性，具有重要的科学和应用价值。
研究团队还探讨了该超薄金属透镜在微波频段的应用前景，特别是在波前操控、信息处理和成像领域的潜在应用。此外，研究团队还提出了进一步优化超表面设计的可能性，以在传输性能和紧凑性之间实现最佳平衡。
总之，该研究为超薄超表面的设计和应用提供了重要的理论和实验依据，展示了其在微波和光学领域的广阔应用前景。