一种新型超表面设计使得不同自旋的光能够独立进行弯曲、聚焦，同时能保持各种颜色的清晰度。该技术结合两种几何相位效应，使每个自旋通道均可独立调节而互不干扰。研究人员展示了在宽频率范围内实现稳定光束偏转和双焦点透镜的功能。该方法可适用于从微波到可见光的波段。
色散是电磁波的基本属性。虽然它能实现有用的波长依赖效应，但也会导致色差，且随着带宽增加而变得更加严重。这些效应会改变光束偏转角度、移动焦点位置，并降低空间精度。超表面是由精心设计的亚波长超原子阵列构成的平面结构，为调控光提供了强大手段。然而，现有大多数消色差超表面设计在实际应用中局限于单一自旋通道。在其他情况下，虽然两个自旋通道都被使用，但它们被迫共享相同的色散行为。因此，在紧凑型器件中实现对两种自旋的相位和群延迟完全独立的控制，尽管这对于多通道和复用光学系统至关重要，但至今仍然困难。
结合几何相位以实现双自旋控制
为了在单个超原子层面克服这一挑战，研究人员开发了一种混合相位框架，其中每种几何相位都扮演着独特的角色。在这种设计中，AA相位实现了团队所称的"自旋解锁"，而PB相位则提供了"相位扩展"。每个超原子内部的不对称电流分布导致右旋圆极化波和左旋圆极化波沿着不同路径反射。这种分离使得它们的相位和色散特性可以被独立控制。
研究团队随后微调了超原子的共振强度，以独立调整每种自旋的群延迟。同时，利用频率调谐和局部结构旋转来设定相位，同时将不需要的串扰保持在较低水平。通过全局旋转引入的PB相位，将可用相位范围扩展到完整的2π，而不会显著改变群延迟设计。这些元素共同构成了一种实用的单层设计策略，用于实现双自旋消色差控制。
跨多个频段的实验验证
研究人员通过在8-12 GHz范围内工作的两种类型器件实验证明了他们的方法。一类是由自旋解锁的消色差光束偏转器组成，这些偏转器在整个频段内保持稳定的、依赖于自旋的偏转。另一类涉及消色差超透镜，它们为右旋圆极化光和左旋圆极化光分配了不同的聚焦功能，同时在宽频率范围内保持了强大的性能。
此外，该团队还展示了在0.8-1.2 THz太赫兹范围内应用相同原理的设计。这表明该方法并不局限于电磁波谱的单一波段，而是代表了一种广泛适用的色散调控框架。
迈向功能更丰富的超构光学系统
这项工作将消色差超表面从单通道校正领域推进到完全独立的双自旋超构光学领域。通过将两种自旋态视为真正独立的自由度，该方法使得在单一器件中集成多种功能的紧凑型光学系统成为可能。展望未来，这种混合相位设计策略可以扩展到可见光范围，用于偏振复用成像和宽带集成光学。研究人员还指出，包括遗传算法和深度学习在内的逆向设计方法，有助于加速器件优化并支持实际系统的部署。