太赫兹波(0.1~10 THz)在电磁频谱上介于微波和红外光之间，作为电磁频谱中唯一尚待开发的波段，在无线通信、雷达和成像等方面具有重要的应用价值。近年来，可编程超表面涌现出来，它由于具备强大灵活的太赫兹波调控能力，已成为波束赋型、压缩成像等应用的关键组件。随着机器学习等人工智能算法的发展，算法驱动的智能超表面可以依据应用场景由软件来配置功能，极大丰富了可编程超表面的功能和应用范围。

如果给可编程超表面赋予一双"眼睛"，它自身能够感知周围电磁环境并做出响应，这种智能超表面无需人工介入就具备全天候的电磁调控能力，在无线通信信道的建立和调整、自适应电磁隐身等实际应用场景中有着巨大的应用潜力。当前，微波段的智能超表面已有报道，但这些超表面器件大多需要借助外部检测器实现环境的探测感知，难以实现集成化。在太赫兹和光学波段，微波段常用的半导体开关元件无法使用，智能超表面亟待开辟新的技术方案。此外，低成本太赫兹检测器的匮乏也使得太赫兹智能超表面的开发面临困境。

鉴于此，近日，南京大学电子科学与工程学院吴培亨院士课题组的金飚兵教授和吴敬波教授联合湖北大学、紫金山实验室等多个研究团队，采用相变材料研制出太赫兹智能超表面。充分利用二氧化钒在相变过程中电导率调谐范围大和电阻温度系数高的特性，研制出集成太赫兹波振幅、相位调控和检测功能单元的阵列器件。解决了电致焦耳热激励相变时带来的热串扰，该1×48阵列器件的每一阵元均可独立电寻址，实现了太赫兹波束的实时动态可调。构建了感知-反应系统，在无人环境下由算法驱动自行实现了太赫兹波束赋型以及反射强度的实时维持。

该成果以"Electrically addressable integrated intelligent terahertz metasurface"为题发表在Science Advances （https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1296）。南京大学吴敬波教授和金飚兵教授为论文共同通讯作者，南京大学博士研究生陈本纹为第一作者，湖北大学研究生王歆茹和何云斌教授提供了关键支持，南京大学范克彬副教授、张彩虹教授、陈健教授和吴培亨院士给予了重要建议，南京大学博士后李春、研究生李威力、王兆松和郭航兵亦有重要贡献。该项目得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和江苏省电磁波先进调控技术重点实验室经费的支持。


图1 太赫兹智能超表面示意图

论文信息：

Benwen Chen, Xinru Wang, Weili Li, Chun Li, Zhaosong Wang, Hangbin Guo, Jingbo Wu, Kebin Fan, Caihong Zhang, Yunbin He, Biaobing Jin, Jian Chen, and Peiheng Wu, Electrically addressable integrated intelligent terahertz metasurface, Sci. Adv. 8, eadd1296 (2022).

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1296