本文由Meng Liu、Eric Plum、Hua Li、Shaoxian Li、Quan Xu、Xueqian Zhang、Caihong Zhang、Chongwen Zou、Biaobing Jin、Jiaguang Han和Weili Zhang等作者共同完成，发表于2021年的《Advanced Functional Materials》期刊。该研究的主要机构包括天津大学精密仪器与光电子工程学院、山东科技大学电子与信息工程学院、南安普顿大学光子学与光电子研究中心、南京大学超导电子研究所、中国科学技术大学国家同步辐射实验室以及俄克拉荷马州立大学电气与计算机工程学院。
手性介质（chiral media）表现出光学活性（optical activity），即对左旋和右旋圆偏振电磁波的不同延迟和衰减效应。这种效应可以通过左旋和右旋波的不同折射率来描述，并在极端情况下产生负折射率（negative refractive index）。尽管光学活性在自然材料中较弱，但在人工材料（如超材料，metamaterials）中可以通过设计实现更强的光学活性。本研究旨在通过温度控制手性、光学活性和折射率，展示了一种基于三维手性金属谐振器（3D-chiral metallic resonators）和非手性二氧化钒（vanadium dioxide, VO2）的超材料，能够在室温下表现出显著的光学活性和负折射率，而在加热后，VO2的绝缘体-金属相变使结构变为非手性，光学活性消失，折射率变为正值。
设计与制备：研究团队设计了一种基于金属开口环谐振器（split ring resonators, SRRs）和VO2的超材料。该结构由两层相互旋转90°的SRRs组成，中间夹有VO2环。通过加热，VO2从绝缘体相转变为金属相，导致SRRs的开口被短路，结构从手性变为非手性。制备过程中，首先通过光刻和等离子刻蚀在蓝宝石基底上制备VO2环，然后通过金沉积和剥离工艺在VO2环上形成SRRs。最终，将两个结构相同的组件堆叠在一起，中间夹有33微米厚的聚酰亚胺层。
实验与表征：研究团队使用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统对超材料进行了表征。通过改变温度（23°C至102°C），测量了不同温度下超材料对左旋和右旋圆偏振波的透射率。实验结果表明，在室温下，超材料表现出显著的光学活性和负折射率，而在高温下，光学活性消失，折射率变为正值。
模拟与分析：研究团队使用CST Microwave Studio软件对超材料的光谱响应进行了模拟。模拟结果显示，超材料在低温下表现出磁偶极子激发模式，而在高温下则表现为电偶极子激发模式。通过模拟和实验数据的对比，研究团队验证了超材料的光学活性和折射率随温度变化的机制。
光学活性与手性控制：在室温下，超材料表现出显著的光学活性，左旋和右旋圆偏振波的透射率存在明显差异。随着温度的升高，VO2的相变导致光学活性逐渐减弱，最终在高温下消失。实验和模拟结果均表明，超材料的光学活性与磁偶极子激发模式密切相关。
折射率调控：研究团队通过模拟和实验数据提取了超材料的有效折射率。结果显示，在室温下，超材料对左旋和右旋圆偏振波的折射率存在显著差异，且在特定频率下表现出负折射率。随着温度的升高，折射率逐渐变为正值，表明超材料可以通过温度调控实现折射率的动态控制。
偏振转换：超材料在室温下表现出显著的线性偏振转换效应，能够将入射的线性偏振波转换为正交偏振波。随着温度的升高，偏振转换效应逐渐减弱，最终在高温下消失。这一结果表明，超材料可以作为温度控制的偏振转换器。
本研究展示了一种基于VO2相变的太赫兹超材料，能够通过温度调控实现光学活性和折射率的动态控制。该超材料在室温下表现出显著的手性和负折射率，而在高温下则变为非手性结构，光学活性消失，折射率变为正值。研究结果表明，超材料的光学活性与磁偶极子激发模式密切相关，而高温下的非手性响应则与电偶极子激发模式相关。这种温度控制的超材料在主动偏振控制、可调偏振旋转器和开关式圆偏振器等领域具有潜在应用价值。
本研究不仅在理论上揭示了手性超材料的光学活性与折射率调控机制，还为超材料在太赫兹波段的应用提供了新的可能性。通过温度控制，该超材料可以用于设计可调偏振旋转器、开关式圆偏振器和可调偏振选择性滤波器等光学器件，具有广泛的应用前景。