东京农工大学研究生院的佐藤建都（2022年3月硕士毕业）和铃木健仁副教授（JST创发研究员），开发出了动作频率为0.3THz（太赫兹、波长为1mm）的无偏振光、超高折射率、低反射率的“超构表面”（Metasurface）新材料。对于未来的6G（Beyond5G）通信及7G通信，使用这种超构表面材料制作的用来接收太赫兹波段电磁波的超透镜天线（Meta-Lens Antenna）与光源相融合的研究正在推进之中。相关成果已刊登在德国的《De Gruyter Nanophotonics》杂志上。
图1 本研究开发的无偏振光、超高折射率、低反射率的超构表面材料
超构表面材料由尺寸为太赫兹电磁波波长1/3左右的超原子（Meta-Atom）（图2）正方形金属构造在电介质基板的正反两面对称配置构成。（供图：东京农工大学）
图2 本次研究开发的无偏振特性、超高折射率、低反射率的超构表面材料放大图
超原子对于太赫兹电磁波像原子和分子一样工作。（供图：东京农工大学）
太赫兹波段的电磁波具有10的12次方极高振动频率。迄今为止接收太赫兹电磁波的透镜等光学元件多使用折射率、反射率等材料特性固定的天然材料（环烯烃聚合物、氧化镁、硅等）。如果能以低反射率实现天然材料无法实现的超高折射率，则有可能制造出能够自由地接收太赫兹电磁波的新型透镜和天线等光学元件。
截止目前，研究团队已独立开发出了只对一个方向的偏振光具有高折射率的超构表面材料，用来接收太赫兹电磁波。另一方面，还需要制作出可对全方向偏振光反应的、易于处理的超高折射率和低反射率新材料。
本次研究在有望用于6G通信的0.3太赫兹频段实现了对任何偏振方向都具有超高折射率和低反射率的超构表面材料。从传统超构表面材料仅对一个偏振方向具有高折射率的结构出发，经过使用电磁场模拟器的大量解析，最终实现了对任何偏振方向都具有高折射率的超构表面结构。
超构表面材料由此村为太赫兹电磁波波长1/3左右的超原子（Meta-Atom）正方形金属构造，在电介质基板的正反两面对称配置而成。每个超原子的举动对于太赫兹电磁波而言就像原子和分子一样。研究团队通过设计超原子的尺寸和间距，将超构表面材料的相对介电常数和相对磁导率控制在接近且较高的数值下，实现了自然界中不存在的超过10的超高折射率及1%的低反射率。
通过太赫兹时域光谱实验，证实所制作的超构表面材料在0.31THz具有折射率为14+j0.49、反射率为1%、透射率为86.9%的材料特性。并且通过以太赫兹电磁波的入射方向为轴心旋转所制作的超构表面材料的试验，证实了其在任何偏振方向上都具有超高折射率和低反射率。
图3 独立制作的非偏振特性、超高折射率、低反射率的超构表面材料的（a）整体图像和（b）放大图像。具有自然界中不存在的超过10的超高折射率和1%的低反射率。（供图：东京农工大学）
对全方向偏振光具有超高折射率和低反射率的超构表面材料已开始应用于具有无偏振特性的超透镜天线等中，并且在6G信息通信、各种传感器设备、代替X射线的安心安全成像技术等方面的应用也备受期待。此外，如果能将这种超构表面材料的频率提高到数十太赫兹以上的红外区域，还有望应用于热管理，例如通过将炼钢炉渣等释放的热辐射集中到特定方向，使热能更容易回收等。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：De Gruyter Nanophotonics
论文：Polarization-independent isotropic metasurface with high refractive index, low reflectance, and high transmittance in the 0.3-THz band
URL：doi.org/10.1515/nanoph-2022-0788
