本文介绍了一项关于金属-石墨烯混合活性手性超表面（metal-graphene hybrid active chiral metasurfaces）的研究，该研究由Jie Li、Jitao Li、Yue Yang、Jining Li、Yating Zhang等作者共同完成，发表于2020年的《Carbon》期刊（第163卷，第34-42页）。研究团队来自天津大学精密仪器与光电子工程学院、天津大学低维材料物理与制备技术重点实验室、成都信息工程大学信息材料与器件应用重点实验室以及江苏大学机械工程学院。

研究背景

手性（chirality）是描述某些分子或宏观物体几何特性的概念，后来被引入光学领域，用于研究光与物质相互作用产生的特殊现象，称为手性光学响应（chiral optical responses）。手性光学响应可以直观地理解为由材料手性引起的左旋和右旋圆偏振光（LCP和RCP）折射率的差异。这种差异对应两种光学现象：光学活性（optical activity, OA）和圆二色性（circular dichroism, CD），分别表现为线性偏振旋转和两种圆偏振光之间的吸收差异。CD在分析化学和制药工业中有广泛应用，例如用于确定分子的手性或区分异构体。然而，自然材料中的CD通常非常微弱，且仅在特定电磁波段中可观测到，这限制了其进一步应用。

近年来，电磁超材料（electromagnetic metamaterials）的出现为强手性光学响应提供了强大的工具。通过模拟自然界中的手性物质，研究人员设计了多种手性超材料，展示了强CD或宽光谱范围的工作特性。然而，三维结构通常难以加工。基于超表面的手性结构可能更具优势，因为它们在电磁波传播方向上具有深亚波长尺度，可以在极小的界面尺寸上实现强CD。

研究目标

本研究提出了一种基于金属-石墨烯混合活性超表面的新方法，用于动态太赫兹圆二色性（CD）调控。通过将图案化的电掺杂石墨烯引入由双层C形开口环谐振器（split ring resonators, SRRs）组成的超镜中，实现了高效的太赫兹CD调制。由于石墨烯的电掺杂改变了超表面腔的吸收损耗，该结构可以在手性超表面和普通金属镜之间切换，表现为“开”和“关”状态。此外，研究还展示了该方法在动态太赫兹波前调制和近场数字成像中的应用。

研究方法与流程

研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 模型设计与理论分析
   研究设计了一种活性手性太赫兹超表面，其单元结构由两个不同尺寸的C形金开口环谐振器和一个薄金背层组成。两个谐振器的对称轴呈60度角，打破了镜像对称性和n重（n>2）旋转对称性。在两个谐振器之间引入了一层中空石墨烯，作为电可调组件。通过调整石墨烯的费米能级（Fermi level），实现了太赫兹CD的动态调控。

2. 数值模拟与实验验证
   通过数值模拟，研究分析了超表面在“开”和“关”状态下的圆偏振反射特性。结果表明，当石墨烯的费米能级为1 eV时，超表面在0.72 THz附近表现出对LCP波的强吸收，而对RCP波的高效反射。随着费米能级的降低，超表面逐渐从手性结构转变为普通金属镜，实现了“开”到“关”状态的切换。

3. 物理机制分析
   研究通过计算单元结构内部的电场强度分布和反射LCP与RCP波的相位偏移，解释了活性手性超表面的物理机制。结果表明，石墨烯的高导电性在“开”状态下促进了上下金属开口环之间的强耦合电磁共振，而在“关”状态下，石墨烯的导电性降低，共振能力减弱。

4. 应用展示
   研究展示了该超表面在动态太赫兹波前调制和近场数字成像中的应用。通过设计不同的单元阵列，实现了对反射太赫兹光束的动态波前操控和偏振复用成像。

主要结果

1. 自旋选择性吸收
   当石墨烯的费米能级为1 eV时，超表面对LCP波的吸收率高达95%，而对RCP波的吸收率仅为25%。随着费米能级的降低，超表面的自旋选择性吸收逐渐减弱，最终转变为普通金属镜。

2. 可调圆二色性
   研究定义了一个参数D来描述超表面的可调圆二色性，D = AL - AR，其中AL和AR分别为LCP和RCP波的吸收率。结果表明，D值可以在0到0.6之间线性调节，展示了宽动态范围的CD调制。

3. 动态波前调制与近场成像
   通过设计不同的单元阵列，研究展示了超表面在动态太赫兹波前调制和近场数字成像中的应用。在“开”状态下，超表面可以实现对反射太赫兹光束的动态波前操控；在“关”状态下，超表面则表现为普通金属镜，无法实现波前调制。

结论与意义

本研究提出了一种基于金属-石墨烯混合活性超表面的新方法，实现了高效的太赫兹CD动态调控。通过调整石墨烯的费米能级，超表面可以在手性结构和普通金属镜之间切换，展示了宽动态范围的CD调制。此外，研究还展示了该方法在动态太赫兹波前调制和近场数字成像中的应用，为基于超表面的活性太赫兹器件设计提供了新思路，并推动了太赫兹手性超表面在高速无线通信和动态成像中的应用。

研究亮点

1. 新颖的实验方法：通过引入图案化的电掺杂石墨烯，实现了高效的太赫兹CD动态调控。
2. 宽动态范围的CD调制：超表面的圆二色性可以在0到0.6之间线性调节，展示了宽动态范围的调制能力。
3. 多领域应用潜力：该方法不仅可用于动态太赫兹波前调制，还可用于近场数字成像和传感器等领域。

其他有价值的内容

研究还探讨了该超表面在传感器领域的潜在应用，例如基于圆偏振和线偏振太赫兹波的双通道传感。此外，研究团队还感谢了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。