本文深入探討了磁光手性超表面實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)非互易傳輸?shù)难芯窟M(jìn)展。非互易傳輸在光學(xué)領(lǐng)域至關(guān)重要，超表面為其實(shí)現(xiàn)提供了新途徑，但現(xiàn)有方法存在偏振相關(guān)性等局限。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出磁光手性超表面，通過結(jié)合磁光與手性效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)任意偏振入射的非互易傳輸。文中詳細(xì)闡述了其物理機(jī)制、設(shè)計(jì)過程、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并展望了在光通訊、顯示等多領(lǐng)域的應(yīng)用前景，為緊湊、偏振不敏感的非互易器件發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

    一、引言
    在現(xiàn)代光學(xué)與電磁學(xué)領(lǐng)域，對(duì)電磁波的有效操控始終是研究的核心焦點(diǎn)之一。非互易傳輸作為一種特殊的電磁波傳輸現(xiàn)象，突破了傳統(tǒng)的洛倫茲互易定理限制，具有前向和后向傳播特性不一致的顯著特點(diǎn)，在光學(xué)及電磁學(xué)領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。這一特性使其在眾多關(guān)鍵技術(shù)中發(fā)揮著不可或缺的作用，如光學(xué)隔離器可有效阻止反射光對(duì)光源穩(wěn)定性的干擾，在光通信系統(tǒng)中保障信號(hào)的單向穩(wěn)定傳輸；定向放大器能夠有針對(duì)性地對(duì)特定方向的信號(hào)進(jìn)行放大，提升信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量與效率；移相器則可精確調(diào)整電磁波的相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)波束方向的精準(zhǔn)控制等。
    超表面作為一種由亞波長尺度的人工結(jié)構(gòu)單元周期性或非周期性排列構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)，憑借其獨(dú)特的對(duì)電磁波相位、振幅和偏振狀態(tài)進(jìn)行靈活調(diào)控的能力，成為實(shí)現(xiàn)非互易傳輸?shù)那把匮芯糠较?。相較于傳統(tǒng)的體材料，超表面具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活、易于集成等諸多優(yōu)勢，為開發(fā)新型高性能電磁器件帶來了前所未有的機(jī)遇。然而，當(dāng)前大多數(shù)實(shí)現(xiàn)非互易傳輸?shù)臒o源超表面普遍存在一個(gè)嚴(yán)重制約其廣泛應(yīng)用的問題，即對(duì)光的偏振態(tài)具有強(qiáng)烈的依賴性。這意味著不同偏振態(tài)的入射光在超表面上的傳輸特性差異顯著，極大地限制了其在實(shí)際復(fù)雜應(yīng)用場景中的效能發(fā)揮。盡管通過引入有源元件或非線性材料在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)與偏振無關(guān)的非互易超穎表面，但是這些方法不可避免地導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度大幅增加、制備工藝難度提升以及成本急劇上升等一系列問題，使得相關(guān)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用面臨重重障礙。
    在此背景下，李汶佳、楊青東、游歐波等科研人員開展了深入且富有成效的研究工作。他們提出并通過實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了一種全新的由周期性排列的磁光手征元件構(gòu)成的無源、線性超表面，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意偏振入射光均能表現(xiàn)出非互易傳輸特性，且該特性與光的偏振態(tài)無關(guān)。這一突破性的研究成果，為非互易傳輸領(lǐng)域注入了新的活力，為開發(fā)更加先進(jìn)、實(shí)用的緊湊、偏振不敏感型非互易器件開辟了嶄新的道路。

    二、磁光手性超表面的物理機(jī)制
    磁光手性超表面實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)非互易傳輸?shù)暮诵脑谟谇擅畹厝诤狭舜殴庑?yīng)與手性效應(yīng)。從基本物理原理層面剖析，磁光超構(gòu)單元在靜磁場的偏置作用下，打破了時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。這是因?yàn)樵陟o磁場環(huán)境中，光與磁光材料相互作用時(shí)，其偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，且這種旋轉(zhuǎn)方向與光的傳播方向密切相關(guān)，從而導(dǎo)致正向和反向傳播的光具有不同的偏振旋轉(zhuǎn)特性，進(jìn)而打破了時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性。而手性超構(gòu)單元由于其特殊的幾何結(jié)構(gòu)，缺乏鏡像對(duì)稱性，使得其對(duì)左旋和右旋圓偏振光具有不同的響應(yīng)特性，從而打破了鏡像對(duì)稱性。
    當(dāng)這兩種效應(yīng)協(xié)同作用于超表面時(shí)，便產(chǎn)生了獨(dú)特的非互易性。具體而言，磁光超構(gòu)單元在正向傳播時(shí)，對(duì)入射光的偏振態(tài)進(jìn)行特定方向的旋轉(zhuǎn)，而在手性超構(gòu)單元的影響下，這種旋轉(zhuǎn)后的偏振態(tài)與后向傳播時(shí)經(jīng)過相同單元產(chǎn)生的偏振態(tài)截然不同。這種差異導(dǎo)致了在不同傳播方向上，光的傳輸特性呈現(xiàn)出顯著的不對(duì)稱性，即實(shí)現(xiàn)了非互易傳輸。同時(shí)，由于手性超構(gòu)單元對(duì)左旋和右旋圓偏振光的對(duì)稱響應(yīng)特性，使得該超表面能夠?qū)θ我馄駪B(tài)的入射光（因?yàn)槿我馄駪B(tài)均可分解為左旋和右旋圓偏振光的疊加）產(chǎn)生一致的非互易傳輸效果，從而實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān)的特性。
    在這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)下，磁光手性超表面展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，該超表面在向前傳播時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)80%的透射率，確保了信號(hào)的高效傳輸；而在后向傳播時(shí)，透射率則被極大地抑制，呈現(xiàn)出極低的數(shù)值，從而形成了鮮明的前向和后向傳輸對(duì)比度，有力地保障了非互易傳輸?shù)挠行院头€(wěn)定性。

    三、磁光手性超表面的設(shè)計(jì)
    3.1設(shè)計(jì)原理與關(guān)鍵考慮因素
    在設(shè)計(jì)磁光手性超表面時(shí)，研究人員面臨著諸多復(fù)雜而關(guān)鍵的技術(shù)問題。對(duì)于無源且無損耗的系統(tǒng)，必須嚴(yán)格遵循能量守恒定律，這就要求散射矩陣具備單一性。為了達(dá)成偏振無關(guān)的單向傳輸這一目標(biāo)，經(jīng)過深入的理論研究和大量的數(shù)值模擬分析，研究人員發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備n重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性（n≥3）。這種特殊的對(duì)稱性能夠有效地使左圓偏振和右圓偏振信道解耦，從而為實(shí)現(xiàn)對(duì)任意偏振態(tài)入射光的統(tǒng)一非互易傳輸?shù)於藞?jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
    在眾多實(shí)現(xiàn)非互易響應(yīng)的方案中，研究人員經(jīng)過全面的對(duì)比和深入的分析，最終選定了基于旋磁材料與手性材料組合設(shè)計(jì)光柵的方案。旋磁材料在靜磁場作用下能夠產(chǎn)生獨(dú)特的磁光效應(yīng)，為打破時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性提供了關(guān)鍵因素；而手性材料則憑借其特殊的分子或結(jié)構(gòu)構(gòu)型，具備天然的手性光學(xué)特性，能夠打破鏡像對(duì)稱性。將兩者有機(jī)結(jié)合，有望在光柵結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)所需的磁光手性協(xié)同效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)非互易傳輸。
    3.2超表面單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    3.2.1磁光單元
    磁光手性超表面由兩種精心設(shè)計(jì)的單位單元組合而成，其中磁光單元的設(shè)計(jì)獨(dú)具匠心。磁光單元主要由磁盤和釔鐵石榴石鐵氧體磁盤按特定的順序堆疊而成，并巧妙地插入到電介質(zhì)板的圓形孔網(wǎng)格之中。釔鐵石榴石盤作為核心的磁光材料，具有一系列優(yōu)異的電磁特性。其有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率張量呈現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，在靜磁場的作用下，能夠與入射光產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，進(jìn)而引發(fā)顯著的磁光效應(yīng)。此外，相鄰磁體盤之間形成的諧振腔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)了這種磁光效應(yīng)。通過對(duì)諧振腔參數(shù)的精確設(shè)計(jì)和調(diào)控，能夠使磁光超表面在特定頻率范圍內(nèi)對(duì)光的偏振態(tài)產(chǎn)生高效且可控的旋轉(zhuǎn)作用，使其成為一個(gè)性能優(yōu)良的法拉第旋轉(zhuǎn)器，為實(shí)現(xiàn)非互易傳輸提供了關(guān)鍵的物理基礎(chǔ)。
    3.2.2手性單元
    手性單元同樣在磁光手性超表面的性能實(shí)現(xiàn)中發(fā)揮著不可或缺的作用。研究人員選擇了銅制共軛結(jié)構(gòu)作為手性元件，并將其夾在三個(gè)電介質(zhì)層之間。這種特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分利用了銅制共軛結(jié)構(gòu)缺少鏡像對(duì)稱性的特點(diǎn)，以及層間耦合所產(chǎn)生的強(qiáng)手性光學(xué)效應(yīng)。在特定的諧振頻率下，該手性單元幾乎能夠?qū)⑷肷洳ㄍ耆D(zhuǎn)換為正交偏振狀態(tài)，展現(xiàn)出了極高的手性轉(zhuǎn)換效率。通過對(duì)銅制共軛結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸以及層間距離等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠精確地調(diào)控手性單元的手性光學(xué)特性，使其與磁光單元在功能上實(shí)現(xiàn)完美匹配，共同作用于超表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同偏振態(tài)入射光的非互易傳輸。
    在具體的設(shè)計(jì)過程中，研究人員通過對(duì)兩種元件的幾何形狀進(jìn)行深入的優(yōu)化研究，使得在特定頻率下，交叉偏振傳輸場的模擬相位在前向傳播時(shí)呈現(xiàn)同相狀態(tài)，而后向傳播時(shí)呈現(xiàn)反相狀態(tài)。這種精心設(shè)計(jì)的相位差使得在不同傳播方向上，光的干涉效應(yīng)截然不同，從而實(shí)現(xiàn)了顯著的隔離效果。當(dāng)前向傳播時(shí)，來自不同單元的透射波電場取向相同，相互疊加形成相長干涉，使得零衍射級(jí)具有高透射率，保證了信號(hào)的順利傳輸；而后向傳播時(shí)，透射波電場方向相反，相互抵消形成相消干涉，零衍射級(jí)透射率極低，有效阻止了信號(hào)的反向傳輸，有力地保障了非互易傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。

    四、數(shù)值模擬與分析
    為了深入探究磁光手性超表面的性能特性，研究人員開展了全面且細(xì)致的數(shù)值模擬工作。模擬結(jié)果顯示，在8.9GHz的頻率下，該超表面在不同偏振態(tài)入射時(shí)均展現(xiàn)出了明顯的非互易傳輸特性。
    當(dāng)x偏振態(tài)的光入射時(shí)，超表面能夠高效地將其轉(zhuǎn)換為交叉偏振態(tài)，透射光主要呈現(xiàn)為y偏振方向，且透射率峰值高達(dá)87.4%。同時(shí)，后向傳播時(shí)的透射率極低，前后向透射率的最大比值接近41.3，這表明在該偏振態(tài)下，超表面對(duì)光的單向傳輸控制能力極強(qiáng)，幾乎能夠完全阻止光的反向傳播。
    對(duì)于y偏振態(tài)入射的情況，同樣呈現(xiàn)出類似的優(yōu)異性能。透射光主要轉(zhuǎn)換為x偏振方向，透射率峰值達(dá)到87.3%，前后向透射率最大比值為38.9。這進(jìn)一步驗(yàn)證了超表面在不同線偏振態(tài)入射時(shí)，均能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)非互易傳輸，且具有較高的傳輸效率和顯著的前后向傳輸對(duì)比度。
    此外，對(duì)于其他復(fù)雜的偏振態(tài)，如±45°線偏振、圓偏振等，磁光手性超表面也表現(xiàn)出了良好的非互易傳輸特性。±45°線偏振光入射時(shí)，超表面能夠根據(jù)其偏振方向的特點(diǎn)，將其有效地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的交叉偏振態(tài)，并在前后向傳播時(shí)展現(xiàn)出明顯的透射率差異。圓偏振光入射時(shí)，超表面同樣能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效的處理，實(shí)現(xiàn)前向的高透射和后向的低透射，充分證明了該超表面對(duì)于任意偏振態(tài)入射光的普適性非互易傳輸能力。
    通過對(duì)不同偏振態(tài)入射情況的詳細(xì)模擬分析，研究人員全面掌握了磁光手性超表面的傳輸特性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)和指導(dǎo)方向。這些數(shù)值模擬結(jié)果不僅展示了超表面設(shè)計(jì)的合理性和有效性，還為進(jìn)一步優(yōu)化超表面的性能提供了豐富的信息，有助于研究人員針對(duì)性地調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，以滿足不同應(yīng)用場景對(duì)超表面性能的嚴(yán)格要求。
    五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    為了對(duì)磁光手性超表面的光隔離性能進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員開展了一系列嚴(yán)謹(jǐn)且細(xì)致的實(shí)驗(yàn)工作。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀精確地制作超表面，確保其結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)要求高度吻合。隨后，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)超表面的傳輸特性進(jìn)行全面的測量。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雖然測量得到的透射率峰值略低于數(shù)值模擬的結(jié)果，但依然達(dá)到了82%的較高水平。這一結(jié)果表明，盡管在實(shí)際制備過程中存在一些不可避免的因素影響了超表面的性能，但整體上其仍然能夠保持較高的傳輸效率，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。
    在頻率為9.25GHz時(shí)，針對(duì)不同偏振態(tài)入射的情況進(jìn)行了重點(diǎn)測量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在該頻率下，不同偏振態(tài)入射時(shí)，前后向傳播的透射率比均呈現(xiàn)出顯著的差異，與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢一致，進(jìn)一步證明了該超表面具備出色的光隔離性能。
    然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果之間確實(shí)存在一定的差異。經(jīng)過研究人員深入的分析和排查，確定了導(dǎo)致這種差異的主要原因。首先，釔鐵石榴石材料靜磁場的不均勻性是一個(gè)關(guān)鍵因素。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由于磁場產(chǎn)生設(shè)備的精度限制以及周圍環(huán)境的干擾，很難保證釔鐵石榴石材料所處的靜磁場完全均勻，這種不均勻性會(huì)對(duì)磁光效應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而導(dǎo)致超表面的實(shí)際性能與理論模擬存在偏差。其次，介電層的材料特性和厚度均勻性、超表面的整體尺寸精度、材料本身的固有損耗以及測量過程中不可避免的誤差等因素，也都在一定程度上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了影響。盡管存在這些差異，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果依然有力地驗(yàn)證了磁光手性超表面的非互易傳輸特性和光隔離性能，為其實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
    六、應(yīng)用前景展望
    磁光手性超表面的成功制備和性能驗(yàn)證，為其在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊的前景。
    在光學(xué)成像與光學(xué)器件領(lǐng)域，可將其應(yīng)用于非互易圓柱形超透鏡的研發(fā)。這種超透鏡能夠利用磁光手性超表面的非互易傳輸特性，對(duì)光線進(jìn)行更加精確和靈活的調(diào)控，從而顯著提升光學(xué)成像的分辨率、對(duì)比度以及聚焦性能，為高端光學(xué)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡等成像設(shè)備的性能提升帶來新的突破。
    在顯示技術(shù)方面，磁光手性超表面有望實(shí)現(xiàn)具有單向可視性的顯示屏。通過巧妙地設(shè)計(jì)超表面的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使得顯示屏發(fā)出的光線僅在特定的角度和方向上能夠被清晰觀察到，而在其他方向上則呈現(xiàn)出極低的可視性。這種特性在保護(hù)信息隱私方面具有巨大的應(yīng)用潛力，例如在金融交易終端、醫(yī)療信息顯示設(shè)備等對(duì)信息安全性要求極高的場景中，能夠有效地防止信息被非法窺探。
    在隱身技術(shù)領(lǐng)域，磁光手性超表面為打造幻覺斗篷提供了新的技術(shù)途徑。利用其對(duì)電磁波的特殊調(diào)控能力，能夠使物體周圍的電磁波傳播路徑發(fā)生改變，從而使物體在特定頻段的電磁波下實(shí)現(xiàn)“隱身”效果。這對(duì)于軍事隱身裝備的研發(fā)以及民用領(lǐng)域中的電磁干擾防護(hù)等方面都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
    在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，磁光手性超表面的應(yīng)用將為非互易無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)的革新帶來契機(jī)。在通信系統(tǒng)中，可利用其非互易傳輸特性，有效降低信號(hào)傳輸過程中的干擾，提高頻譜利用率，從而實(shí)現(xiàn)更高速率、更穩(wěn)定可靠的信號(hào)傳輸。在雷達(dá)系統(tǒng)中，能夠增強(qiáng)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測能力和識(shí)別精度，提高雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾性能，為國防安全和民用雷達(dá)應(yīng)用提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

    七、結(jié)論
    磁光手性超表面的研究成果是光學(xué)與電磁學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。通過創(chuàng)新性地將磁光效應(yīng)與手性效應(yīng)相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān)的非互易傳輸，為非互易超表面的研究引入了全新的物理機(jī)制和設(shè)計(jì)理念。從理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究人員對(duì)磁光手性超表面進(jìn)行了全面而深入的探究，充分展示了其在性能上的優(yōu)越性和應(yīng)用上的巨大潛力。
    盡管目前在實(shí)際應(yīng)用中還面臨一些挑戰(zhàn)，如材料制備工藝的進(jìn)一步優(yōu)化、降低成本以及提高器件的穩(wěn)定性和可靠性等，但隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信磁光手性超表面將在未來的科技發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用。它不僅將推動(dòng)光學(xué)、電磁學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的深入研究，還將為眾多應(yīng)用領(lǐng)域帶來革命性的變化，為人類社會(huì)的科技進(jìn)步和生活質(zhì)量的提升做出重要貢獻(xiàn)。期待在未來的研究中，能夠進(jìn)一步拓展磁光手性超表面的性能邊界，探索更多新穎的應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)其更大的價(jià)值。