在超表面上加倍：双层器件可以控制多种形式的偏振光

大约十年前，哈佛大学的工程师们推出了世界上第一个可见光谱超表面——超薄、平坦的设备，上面有纳米级结构的图案，可以精确控制光的行为。如今，元表面是传统笨重光学元件的强大替代品，可以实现紧凑、轻便、多功能的应用，从成像系统和增强现实到光谱学和通信

现在，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员正在加倍研究超表面技术，他们创造了一种双层超表面，由两层堆叠的二氧化钛纳米结构组成，而不是一层。在显微镜下，新设备看起来像一排密集的阶梯式摩天大楼

该研究发表在《自然通讯》上

“这是纳米技术在最高水平上的壮举，”资深作者、SEAS的Robert L.Wallace应用物理学教授和Vinton Hayes电气工程高级研究员Federico Capasso说。“它开辟了一种构造光的新方法，在这种方法中，我们可以以前所未有的方式设计光的所有方面，如波长、相位和偏振……它为迄今为止刚刚触及表面的超表面开辟了一条新途径。”

几个世纪以来，光学系统一直依赖于由玻璃或塑料制成的笨重弯曲透镜来弯曲和聚焦光。过去十年，SEAS领导的超表面革命产生了扁平、超薄的结构，这些结构由数百万个微小元素组成，可以以纳米精度操纵光。这种技术的一个突出例子是金属。与传统的透镜不同，金属透镜可以用现有的半导体制造技术制造，使智能手机、相机和增强现实显示器等设备中的紧凑型集成光学系统成为可能

在卡帕索的团队报告了他们第一个可以弯曲可见光的金属后，他们与哈佛大学技术开发办公室合作，获得了该技术的许可，并成立了一家公司Metalenz。此后，他们展示了许多潜在的应用，包括内窥镜、人造眼睛和望远镜镜头

但是Capasso团队发明的单层纳米结构设计在某些方面具有局限性。例如，之前的元曲面对光的偏振操纵（即光波的方向）提出了具体要求，以控制光的行为

研究生、该研究的共同主要作者Alfonso Palmieri说：“许多人研究了双层超表面的理论可能性，但真正的瓶颈是制造。”。Palmieri解释说，有了这一突破，人们可以想象出新型的多功能光学设备——例如，一种从一侧投影一个图像，从另一侧投影完全不同图像的系统

利用哈佛大学纳米系统中心的设施，包括前博士后研究人员Ahmed Dorrah和Joon Suh Park在内的团队提出了一种制造工艺，用于制造两个超表面的独立、坚固的结构，这两种超表面牢固地结合在一起，但不会在化学上相互影响。虽然这种多级图案化在硅半导体领域很常见，但在光学和元光学领域还没有得到很好的探索

为了证明他们的设备的强大功能，研究小组设计了一个实验，他们使用双层金属以与复杂的波片和镜子系统相同的方式作用于偏振光

在未来的实验中，该团队可以扩展到更多的层，以控制光的其他方面，例如在整个可见光和近红外光谱范围内高效的极端宽带操作，为更复杂的基于光的功能打开大门 More information: Ahmed H. Dorrah et al, Free-standing bilayer metasurfaces in the visible, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58205-7

Journal information: Nature Communications