东南大学崔铁军院士和游检卫教授团队 AOM：表面波和空间波联合调控的多功能拓扑超表面

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论文信息

研究背景

在当今科技飞速发展的时代，电磁波调控技术的战略地位正不断提升，其在无线通信、医疗影像、智能传感等诸多关键领域发挥着至关重要的核心作用。然而，传统的电磁波调控手段，例如透镜、调制器、波导等，由于自身物理机制的限制，仅能实现单一场景下的电磁波调控，要么是表面波，要么是空间波，难以满足日益增长的多维波操控的实际需求。随着 6G 通信、全息成像等前沿技术的快速演进，开发出一种能够同时实现表面波与全空间波协同调控的新型平台，已然成为电磁领域备受瞩目的研究热点。这种新型平台的出现，为全息成像、智能传感等前沿应用提供了极具创新性的解决方案。在这一方向上取得的突破，不仅能突破传统电磁器件的功能边界，更将有力推动下一代通信与感知系统的范式变革，为科技的进一步发展开辟全新的道路。。

文章概述

近日，东南大学崔铁军院士与游检卫教授团队在表面波和空间波联合调控方向取得了重要进展，他们提出了一种基于模块化人工原子的多功能拓扑超表面。该研究巧妙地融合了拓扑光子学与可编程超表面技术，创新性地实现了表面波与全空间（透射、反射）电磁波的多维度协同调控。这一成果不仅突破了传统电磁波调控技术的限制，还为电磁波调控领域带来了全新的思路和方法。该成果已发表在学术期刊《Advanced Optical Materials》上，东南大学秦世龙硕士和陈龙博士为论文的共同第一作者。

具体而言，作者提出了一种全新的概念——拓扑超表面，该硬件平台既实现了拓扑光子绝缘体对表面波灵活调控的能力，又具备电磁超表面对空间波的强大调控能力。因此，我们把该硬件平台称为拓扑超表面。该平台利用相同的模块化人工原子，在不同编码模式下实现了表面波与全空间波的协同操控。通过仿真与实验验证，作者展示了其多种功能：基于空间波调控的聚焦、波束偏转与全息成像，以及基于表面波调控的可编程拓扑路由。在实际应用中，其拓扑边缘态可作为微波通信的信息载体，构建鲁棒的拓扑表面波传输能力。反射型可编程超表面在信号增强方面效果显著，通过采集多空间位置的散射参数（S参数）并训练全连接神经网络，实现了四种物体的高精度识别，识别准确率超过97%。模块化人工原子的可组装、可拆卸与可编程特性，显著拓展了波束调制的自由度，并为多功能集成赋能。该工作构建了创新性的拓扑超表面体系，为全息成像、目标感知、信号传输及6G通信开辟了新路径，同时也为未来智能多维电磁控制平台的设计与应用奠定了坚实基础。

图文导读

图 1. 基于模块化人工原子的可编程拓扑超表面示意图及多功能演示。 a) 兼具表面波与空间波调控能力的拓扑超表面； b) 模块化可编程人工原子结构； c) 拓扑超表面的可重构与多功能特性：通过拆卸、重组并编码模块化人工原子，可动态调整其功能。

图 2.拓扑超表面的透射波调控。(a) 拓扑超表面透射特性原理图。当可组装模块化人工原子安装在FR-4介质基板上时，通过适当的0,1编码可调控透射的电磁波.  (b) 远场散射测量环境和实验装置. (c-e) 三种不同的编码模式，即模式1 (c(I))，模式2 (d(II))和模式3 (e(III))，其2维远场散射结果分别对应于（c(II)， d(II)和e(II)）。 (f) 透射拓扑超表面近场扫描测试平台，由2D扫描仪，接收探针和VNA组成。(g-i) 分别对应在（-125mm，0，150mm），（0，0，150mm）和（125mm，0，150mm）处实现聚焦功能对应的编码模式(I)，焦平面处仿真电场强度结果（II），焦平面处测量电场强度（III），聚焦切平面的FWHM（IV）。

图 3. 拓扑超表面的反射波调控. (a) 拓扑超表面的反射特性原理图。模块化人工原子安装在金属介质基板上时，拓扑超表面可对反射电磁波灵活的操控。 (b) 满足PB相位的模块化人工原子。当模块化人工原子安装在金属背板上时，其满足PB相位特性。 旋转人工原子theta角，反射波相位变化2*theta。(c-d) (I)调控反射电磁波波束偏折的两种编码方式，其对应的远场散射方向图分别为图c-d(II)。(e) 反射电磁波全息成像的测试平台。测试平台由发射天线，接受探针和VNA组成。 (f-h) (I)分别为生成‘S’,‘E’和‘U’所需要的编码模式。（II）在Z=500mm切平面处理论上的电场强度。（III）在Z=500mm切平面处仿真对应的电场强度。（IV）在Z=500mm切平面处测量对应的电场强度。

图 4. 可重构拓扑路径设计与验证. (a) 具有对称性和两个对称性的人工原子带图及其对应的第一布理渊区. (b) 左图：1bit可编程拓扑超表面平面结构。右图：CodeA 和CodeB在第一能带和第二能带和处XoY 平面上电场分量的相位分布. (c) (I)AB 型拓扑domain-wall界面和 BA 型拓扑domain-wall界面及其对应的投影带图. (II) AB 型拓扑domain-wall和 BA 型拓扑domain-wall在和处XoY 平面上电场强度分量。 (d) 近场测试扫描平台。 (e-g) (I)直线，向下90°和向上135°拓扑传播路径的编码模式，(II)在拓扑带隙内对应的仿真和测量的电场的近场分布和(III）三种编码模式模拟和测量传输效率结果的比较。

图 5. 多功能可编程拓扑超表面。(a) OFDM 通信平台实验配置，包括 USRP、计算机和拓扑超表面。(b, c) 从左至右分别为:发送图片，超表面结构和接收图片。(d) 无缺陷和有缺陷情况下通信系统的接收信号频谱。超表面结构出现破缺时，接收端接收的信号频谱强度下降。 (e) 拓扑超表面调控并增强电磁信号实验示意图。 (f) 有无超表面情况下，接收者接收的信号强度对比。 (g) 基于电磁特征的物体感知实验平台，包括发射天线，接收天线，待测物体和拓扑超表面。 (h) 验证集的混淆矩阵。 (i-j) 训练集和验证集的准确率和损失。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。

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