导读

有源超表面的可调性在平面透镜、隐形技术等领域具有重要的应用价值，但在亚波长尺度上实现光与物质相互作用的动态调控仍面临挑战。来自芝加哥大学的 Po-Chun Hsu等研究人员提出了一种可逆金属电沉积（RME）技术，为有源超表面赋予宽频带可调能力。研究人员在金属-绝缘体-金属（MIM）谐振器构建的反射型梯度超表面上，通过RME研制出动态光束控制器件，经千余次循环后性能依旧稳定。

该文章近日发表在《Light: Science & Applications》,题为“High-efficiency broadband active metasurfaces via reversible metal electrodepositions”, 美国芝加哥大学的Qizhang Li是论文的第一作者， Po-Chun Hsu是论文的通信作者。

研究背景

亚波长尺度下光与物质相互作用的调控，是先进波导、辐射冷却剂等变革性技术的核心支撑。近年来，超表面凭借亚波长纳米柱的可调特性，能够对光的振幅、相位及偏振进行全方位调控，迅速跻身光学领域研究热点。然而，相较于变形镜等传统光学器件，具备高可调性的有源超表面，仍面临显著挑战。

当前，具有金属-绝缘体转变（MIT）特性的相变材料，因能产生显著折射率变化，常被用于构建有源超表面以实现可调性。然而，这类材料在金属态下的等离子体频率远低于常规金属，极大限制了其在短波长波段的光学调控能力。理想的高光学对比度需实现“真空中金属的按需消失或出现”的效果，可通过RME模拟技术实现。目前，RME已在电致变色、热伪装等领域取得重要应用，但相关研究多基于薄膜结构，其在光与物质相互作用调控中的潜力尚未被充分发掘。

创新研究

研究人员首先揭示了RME调控浸没在电解质中的MIM谐振器的工作机制（图1a）。向工作电极施加负偏压时，高反射率的金属层会沉积在谐振器周围区域，有效阻止入射光进入谐振腔，进而关闭其等离子体共振效应。当反转偏压极性时，可使沉积的金属层溶解为金属离子，并扩散至电解质中，使谐振器的谐振特性完全恢复。通过精准调整谐振器的尺寸参数，调控范围可从可见光波段延伸至中红外波段（图1b）。

为进一步验证RME的光学可调潜力，研究人员计算了正入射条件下反射率的调谐范围，并与其他有源材料展开对比分析（图1c），结果显示，RME的反射率对比度接近1，显著优于常用的有源材料，充分地彰显了其优异的光学调控性能。

图1: 基于RME的宽频带高可调性有源超表面的原理图

为了验证RME在有源超表面中的动态光束控制能力，研究人员设计了梯形MIM谐振器阵列超表面（图2a），在未沉积铜的初始状态下（图2b），使光束产生异常反射（一级衍射）。通过金属电沉积处理后（图2c-e），异常反射被显著抑制，反射光则切换至镜面反射方向（零级衍射）。由此可见，通过调控施加偏压的极性，可实现金属层的可逆沉积和剥离，进而构建出一种能够将光束精准调控至不同方向的电可调超表面（图2f）。实验表明，采用含有1 M铜离子的电解质时，器件开关过程仅需500 ms。且器件在两种反射模式下均实现了超90%的超高衍射效率（图2g），这充分展现出该器件设计优异的动态调控性能与应用价值。

图2: 基于可逆铜电沉积的有源光束控制超表面

为进一步表征光束控制性能，研究人员搭建了一套显微镜系统（图3a）。通过数值孔径较小（NA=0.3）的物镜，能够清晰观察到超表面在沉积和剥离状态下的外观差异（图3b）。前五次循环的反射光束强度轮廓（图3c）显示，光可被有效调控至不同方向。沉积与剥离状态下的零级、一级衍射效率测试表明，器件在600次循环内稳定保持超90%的衍射效率（图3d）。进一步的异位循环测试显示，经过3000次循环后，器件仍维持约60%的反射效率与90%的衍射效率，整体性能无衰减（图3e）。

图3: 高效动态光束控制的实验验证

为探索器件在宽波段的应用潜力，研究人员采用定制角分辨光谱系统，对可见光与近红外波段的异常反射光特性进行表征（图4a）。结果显示，在610-710 nm波长范围内，器件沉积与剥离状态下均保持卓越光学性能（衍射效率≈90%，反射效率≈60%）（图 4b）。在中红外波段，通过红外椭圆偏振仪测试（图 4c）发现，2.6- 3.6 μm波长范围内的反射效率稳定在60%左右，推测衍射效率同样处于较高水平（图4d）。与其他有源材料系统相比，基于RME的超表面在可见光至中红外波段均表现出更高的信噪比（图 4e），充分彰显其宽波段应用优势。

图4: 基于RME的超表面宽频带动态光束控制能力

总结与展望

本文中，研究人员提出了以RME技术实现宽频带高可调性有源超表面的创新方案，通过在MIM谐振器阵列上动态调控铜的沉积与剥离，成功研制出动态光束控制器件。实验表明，该器件在镜面与异常反射模式下均实现超90%的衍射效率以及超60%的反射效率，经数千次循环后性能稳定，且高效率可覆盖可见光至中红外波段。

未来研究可围绕三方面展开：一是优化电极与电解质设计，进一步提升切换速度，适配高速光学调控场景；二是拓展多维度功能，探索多角度光束控制、透射型器件等新形态；三是结合低成本制备工艺，推动该技术在增强现实、无人驾驶感知、自适应热管理等领域的商业化应用，为有源光学与热学超器件发展提供新路径。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02136-x