天津大学团队破解太赫兹超表面制造误差难题

天津大学团队破解太赫兹超表面制造误差难题

记者10月15日从天津大学获悉，该校吴亮、姚建铨团队联合中国科学院空天信息创新研究院、南方科技大学，在《国家科学评论》发文，提出S 4 点群对称的双层太赫兹超表面，实现抗制造误差的准连续域束缚态（QBIC），解决传统器件对结构扰动高度敏感的问题，为高性能太赫兹光子器件规模化制造提供新范式。

S 4 点群对称双层太赫兹超表面。天津大学供图

太赫兹波介于微波与光之间，在成像、传感、通信等领域前景广阔。对该波段的操控依赖于一类微纳器件——超表面。超表面是一种人工设计的超薄结构，可对电磁波进行类似开关的调控。然而，此类器件对制造误差高度敏感，微小偏差即可导致功能失效，因而难以实现批量生产。

“连续域束缚态”是一种损耗极低、共振极强的电磁模式，其中“对称保护型”可通过打破对称调节性能，是超表面研究热点。但主流单层、面内对称方案对微小缺陷极敏感、加工门槛高，更高阶对称机制也研究不足。如何兼顾高性能与加工容错，成为待解难题。

针对这一难题，团队将两层完全相同的单层超表面沿竖直方向旋转90°叠合，打破反演对称，构建出S 4 点群对称的双层结构。上层两个椭圆柱平行时满足S 4 对称，形成两个“暗模”；打破对称后，暗模转化为可用的准束缚态。

实验显示，该结构即便加工错位仍稳定共振：错位不超过42微米时，共振频率偏移小于0.01太赫兹，品质因子稳定在100以上，避免了传统结构性能“断崖式”下跌。团队制备零偏移、左移15微米、右移20微米三种样品实测，光谱依旧清晰，与仿真吻合。

“这项成果源于我在《固体物理》课程教学中的思考。”论文通讯作者、天津大学精仪学院副教授吴亮介绍，在讲解S 4 点群内容时发现缺乏直观前沿实例，他便将对称理论同超表面结合，催生此项研究。

此项研究，有望推动太赫兹技术走向实用。医疗上，它可灵敏检测癌细胞和微量分子，并降低批量生产成本；通信上，太赫兹被视为6G的重要频段，这种抗误差设计有助于制造大面积可重构智能表面；在成像与安检上，单次脉冲即可完成太赫兹成像，无须机械扫描或复杂算法，可用于半导体缺陷检测、违禁品无损检查和药品质量控制。

主题：超表面