本文介绍了一项由Xiaoqing Luo、Juan Luo、Fangrong Hu和Guangyuan Li等研究人员共同完成的研究，题为《基于石墨烯超表面的宽带可切换太赫兹半波片/四分之一波片》。该研究发表于2023年的《Chinese Physics B》期刊上，主要研究机构为中国科学院深圳先进技术研究院和桂林电子科技大学。

研究背景

太赫兹波（Terahertz waves）在传感、成像和通信等领域具有广泛的应用前景。然而，传统的太赫兹波片（waveplates）通常体积庞大、带宽窄且损耗较高，限制了其实际应用。超材料（metamaterials）和超表面（metasurfaces）因其紧凑性、灵活性和易于集成的特点，成为调控电磁波偏振态的有力工具。特别是石墨烯（graphene）作为一种超薄、低损耗且可通过电偏置、化学掺杂或光泵浦连续调谐的材料，为设计可动态调谐的太赫兹波片提供了新的可能性。

尽管已有研究提出了基于石墨烯的太赫兹波片，但其带宽通常较窄，难以满足实际应用需求。因此，本研究旨在设计一种基于石墨烯-金属混合超表面的宽带可切换太赫兹半波片（HWP）和四分之一波片（QWP），以解决现有技术的局限性。

研究方法

研究团队提出了一种石墨烯-金属混合超表面结构，其单元由金条和石墨烯条组成，两者相互垂直并以45°倾斜角排列。该结构通过改变石墨烯的费米能级（Fermi energy），实现了从HWP到QWP的功能切换。具体实验流程如下：

1. 超表面设计与仿真：研究团队使用CST Microwave Studio软件对超表面进行了数值模拟。通过设置周期性边界条件和自适应网格细化，模拟了不同费米能级下超表面的反射振幅和相位谱。

2. HWP功能验证：当石墨烯的费米能级为0 eV时，超表面表现为HWP，能够在0.7 THz至1.3 THz的宽频带内实现超过97%的偏振转换比（Polarization Conversion Ratio, PCR）。

3. QWP功能验证：当石墨烯的费米能级调至1 eV时，超表面表现为QWP，能够在0.78 THz至1.33 THz的频带内实现高于0.92的椭圆率（ellipticity），表明其能够将线偏振光转换为圆偏振光。

4. 关键参数分析：研究还分析了石墨烯费米能级和聚酰亚胺（polyimide）厚度对超表面性能的影响，结果表明该结构对参数变化具有较高的鲁棒性。

研究结果

1. HWP性能：在0.7 THz至1.3 THz的频带内，超表面作为HWP的偏振转换比超过97%，相对带宽达到60%。这一性能得益于多个共振模式的叠加。

2. QWP性能：在0.78 THz至1.33 THz的频带内，超表面作为QWP的椭圆率超过0.92，相对带宽为50%。其宽带性能同样源于多个共振模式的叠加。

3. 参数影响：研究结果表明，超表面性能对石墨烯费米能级和聚酰亚胺厚度的变化具有较高的容忍度，进一步验证了其在实际应用中的可行性。

研究结论

本研究成功设计了一种基于石墨烯-金属混合超表面的宽带可切换太赫兹HWP/QWP。通过调节石墨烯的费米能级，超表面能够在0.78 THz至1.3 THz的频带内实现HWP和QWP功能的动态切换。其相对带宽高达50%，显著优于现有文献中的石墨烯基超表面波片。这一成果为太赫兹偏振相关系统（如传感、成像和通信）提供了新的技术解决方案。

研究亮点

1. 宽带性能：该超表面在0.78 THz至1.3 THz的频带内实现了HWP和QWP功能的动态切换，相对带宽高达50%，显著优于现有技术。

2. 动态可调性：通过调节石墨烯的费米能级，超表面能够在HWP和QWP功能之间灵活切换，展示了其在实际应用中的潜力。

3. 多共振模式叠加：研究通过分析表面电流分布，揭示了超表面宽带性能的物理机制，即多个共振模式的叠加效应。

研究意义

本研究不仅为太赫兹波片的宽带设计提供了新的思路，还展示了石墨烯在太赫兹技术中的巨大潜力。其成果有望推动太赫兹传感、成像和通信等领域的技术进步，具有重要的科学价值和应用前景。

致谢

本研究得到了深圳市研究基金（项目编号：JCYJ20180507182444250）的支持。