近日，南京大学电子科学与工程学院金飚兵教授、吴敬波教授团队联合北京理工大学马赫教授团队，在太赫兹可编程超表面领域取得重大进展。团队创新性地利用可转移二氧化钒（VO₂）相变薄膜与超薄柔性聚酰亚胺衬底，成功研制出全球首款兼具宽带、高效透射、可级联、可弯曲四大特性的太赫兹可编程超表面。该器件一举突破了传统反射式超表面带宽窄、光路复杂、难以集成与堆叠的技术瓶颈，为太赫兹通信、成像、传感及下一代光学计算系统提供了颠覆性的核心硬件平台。
核心创新与卓越性能
本研究最核心的创新在于器件结构与工作模式的根本性变革。团队将自主制备的高质量VO₂薄膜转移到仅5微米厚的超薄柔性衬底上，构建了VO₂-金属混合结构超表面。通过精密的电热控制，可实现每个像素在绝缘态（高透射）与金属态（低透射）间的快速可逆相变，从而对太赫兹波进行像素级空间强度调制。
实测性能令人瞩目：
超宽带：在0.51至1.80 THz的超宽频带内，调制深度均超过50%，最高可达75%以上，相对带宽高达111%。
低损耗：在“开启”状态下，1 THz以下频段的插入损耗低于3 dB，确保了信号传输的高效率。
高灵活性：器件在弯曲状态下仍能保持稳定的调制性能，展示了其在共形表面、可穿戴设备中的应用潜力。
可编程与可级联：集成的8×8独立像素阵列可通过FPGA实时编程，生成动态太赫兹图案；更关键的是，研究首次在实验中演示了双层超表面级联工作，并成功实现了矩阵乘法运算，验证了其构建多层衍射神经网络进行光学计算的可行性。
应用前景与意义
该成果的意义远不止于一个高性能器件。其透射式工作模式使得它能够像“智能玻璃”一样轻松嵌入现有光学系统，与光源、探测器等其他组件直线集成，极大简化了系统复杂度。同时，超薄、可弯曲、可级联的特性，使其成为开发紧凑型太赫兹计算成像、实时超表面全息、以及面向6G/7G的智能超表面（RIS）的理想选择。这项研究从材料、集成工艺到系统架构实现了全链条创新，标志着我国在太赫兹主动光电调控领域已走在国际最前沿，为抢占未来高速通信与智能感知的技术制高点奠定了坚实基础。
论文信息
上述研究成果于2025年6月5日以题为 “Broadband, Transmissive, and Cascadable Terahertz Programmable Metasurface” 发表在国际顶级期刊《ACS Nano》（影响因子：18.027）上。南京大学博士生郭航兵和陈本纹为论文共同第一作者，南京大学吴敬波教授、北京理工大学马赫教授和南京大学金飚兵教授为论文共同通讯作者。
图文导读
图1： 透射式太赫兹可编程超表面及双层级联计算架构示意图。
图1a展示了研究核心的双层级联系统架构。入射太赫兹平面波依次穿透两个独立控制的透射式超表面，最终在输出面形成编码后的场分布，该架构是实现光学矩阵运算和复杂波前调控的物理基础。图1b为所制备的8×8像素阵列的光学照片，器件集成于柔性电路板上，展示了其紧凑、可实际操控的形态。图1c阐释了单个像素的动态调控机理：通过施加电流偏置，利用焦耳热触发二氧化钒（VO₂）微桥发生绝缘体-金属相变，从而在“高透射”（THz ON）与“低透射”（THz OFF）状态间实现宽谱、连续的太赫兹波强度调制。图1d的模拟传输光谱从理论上证实了该设计在宽频带内具备显著的“开/关”调制潜力。
图2： 超表面的精密结构设计、单元像素工作原理及宽带调制性能表征。
图2a展示了制备在超薄柔性衬底上的完整器件，凸显其柔韧特质与可集成性。图2b为单个像素的显微图像，每个像素由20×20个亚波长单元构成。图2c详细揭示了关键单元结构：以5微米厚聚酰亚胺为衬底（厚度<工作波长的1%），有效消除了法布里-珀罗共振；插图为连接金属翼的VO₂微桥的扫描电镜图，清晰呈现了200纳米厚转移VO₂薄膜的精细结构。图2d的模拟热分布图表明，优化后的像素内部热场均匀，且热扩散被限制在像素边界内，确保了像素间独立的电学寻址能力。图2e为其等效电路模型，描述了复杂的串并联连接方式。图2f-g的实验结果表明，时域波形与频谱在“开/关”态间差异显著，直观验证了宽带调制效果。图2h显示在1.0 THz下，传输系数随偏置电流增加而急剧下降，在约5 mA时达到饱和。图2i的调制深度谱定量表明，在最大偏流下，器件在0.51-1.80 THz范围内调制深度超过50%，在1.01-1.80 THz范围内超过75%，相对工作带宽高达111%，且频谱平坦无振荡，证明了超薄衬底对实现宽带调制的关键作用。
图3： 器件在不同弯曲曲率下的稳健工作性能展示。
图3a为器件在不同曲率下进行性能测试的示意图。图3b展示了七种弯曲状态下，“开”态和“关”态的平均传输光谱及其波动范围。结果表明，即使处于弯曲条件，器件在0.51-1.80 THz范围内仍能保持显著的调制效果，且在1.0 THz以下“开”态插入损耗仍低于3 dB。图3c进一步给出了不同曲率下的最大调制深度谱，证明弯曲未导致性能发生显著退化，凸显了其在共形表面与柔性电子应用中的可靠性和实用性。
图4： 超表面实现太赫兹波宽带空间调制的实验验证（棋盘格图案）。
为评估空间调制能力，研究对编码为棋盘格图案的超表面进行了点扫描测量。图4a显示，单个扫描点在“开/关”态下的透射时域波形在主脉冲区域存在明显差异。图4b提取了特定时刻（t=24.38 ps）的时域调制深度空间分布，清晰的棋盘格图案证明了器件对太赫兹脉冲信号的有效空间整形能力。图4c为对应的频域光谱对比。图4d-g分别展示了在1.0, 1.2, 1.5和1.9 THz四个频点上的空间调制深度分布，各频率下均呈现高对比度的棋盘格图案，有力验证了其超宽带空间调制特性。图4h提取了1.5 THz下某一行和某一列的调制深度分布曲线，显示“开”态与“关”态像素间的调制深度差值超过70%，且分布均匀，表明像素间的热串扰与电串扰得到了优异抑制。
图5： 动态空间调制能力演示：快速切换（10 Hz）及字母图案生成。
图5a-b分别记录了一个像素在“关到开”和“开到关”切换过程中的时间轨迹，测得开启时间和关闭时间分别为23 ms和73 ms。图5c展示了调制幅度随调制频率变化的归一化曲线，其3 dB截止频率高于10 Hz。图5d给出了在10 Hz方波调制下，像素透射幅度随时间变化的轨迹，显示出高的开关对比度。图5e为红外热像仪捕获到的器件动态切换至“T”、“H”、“Z”等字母图案时的热分布图，直观、生动地印证了其高速、可编程的动态空间图案生成能力，为实时全息、光学显示等应用奠定了基础。
图6： 革命性应用验证：基于两级级联超表面的光学矩阵乘法运算实验。
图6a阐释了基于两级透射式可编程超表面实现光学模拟计算的原理框图：入射太赫兹平面波被第一层超表面（PM1）的空间透射率矩阵调制后，再经第二层超表面（PM2）调制，最终输出光场分布即等效于两级调制矩阵的相乘。图6b展示了在0.5 THz下的实验验证结果。通过将4×4像素区块合并为一个“超级像素”来表征2×2矩阵元素，分别测量了仅PM1调制、仅PM2调制以及两者同时调制的输出光场。实验结果表明，两级同时调制的输出结果（Om）与分别调制的输出结果之积（O1·O2）高度吻合，误差的均值与方差分别为0.0503和0.0421。这首次在实验上利用透射式太赫兹超表面成功验证了光学矩阵乘法运算，为构建未来高速、低功耗的衍射神经网络光子处理器提供了关键的硬件原型与实验证据。
文献来源
Hangbing Guo, Benwen Chen, Yuan Li, Weili Li, Shengxin Yang, Sheng Wang, Wei Zhu, Jingbo Wu*, He Ma*, Xinping Zhang, Caihong Zhang, Kebin Fan, Huabing Wang, Biaobing Jin*, Jian Chen, and Peiheng Wu. Broadband, Transmissive, and Cascadable Terahertz Programmable Metasurface. ACS Nano (2025).
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.5c04447