任何一个普通电介质材料的表面都存在反射和折射这两种基本的光学现象，如图1a所示。反射削弱了透射波的能量，而折射改变了透射波的传播方向。近期，南京大学物理学院的褚宏晨助理研究员、赖耘教授、彭茹雯教授、王牧教授，以及伦敦大学玛丽女王学院的Yang Hao教授合作，首次将减反功能和波前调控功能在深度亚波长尺度（1/15λ）下融合，提出了一种梯度减反超表面(Nat. Comm. 12, 4523 (2021))。通过在材料表面铺设一层超表面，不仅消除反射，还把透射波弯折回原来的入射传播方向（图1b）。也就是说，既没有反射，也没有折射，电磁波会径直沿入射方向穿过材料表面，就好像材料表面 “消失”了一样。文章通过数值仿真和微波实验验证了这个现象。
图1 “消失”的表面的原理与梯度减反超表面的设计
根据传统的光学减反膜理论，虽然常用的1/4波长减反膜可以消除反射，但是同时光的透射相位也被固定在±π/2。也就是说，传统单层减反膜的透射相位被“锁定”了，并不能任意改变，因此也不能用来设计梯度减反超表面。之前基于超材料设计的减反膜也几乎都有类似的限制。
要让材料表面“消失”，需要超表面同时具有减反和波前调控两种功能。也就是说，超表面的结构单元不仅能在高折射率材料表面实现高透射，还要具备可在（0,2π）范围内任意调节的透射相位。作者采用了如图1c所示多层金属结构来设计单元结构，成功设计了五个减反单元，其透射率接近于100%，透射相位等间隔地覆盖π/2的范围（图1d）。将这五个单元顺序排列构成一个周期排布，构成了一个梯度减反超表面。数值仿真和微波实验测量的结果都表明，该超表面可以消除45°斜入射的电磁波在两侧介电常数分别为1和4.4的界面上的反射和折射（图2），从而让这种电介质表面“消失”或被“隐身”。
图2. 利用梯度减反超表面在电介质表面同时消除折射和反射效应。
这种基于梯度减反超表面让材料表面“消失”的原理并不只适用于平面。理论上，可以利用这一原理让具有任意形状的材料表面“消失”。作者基于费马原理以及相位补偿原理，得到了让任意形状的曲面“消失”所需要的透射相位分布（图3a），并且针对介电常数为12的电介质的一个弧形曲面设计了一个例子。数值仿真的结果表明梯度减反超表面确实可以让这个高折射率介质的突起表面“消失”（图3b）。如果没有超表面，这个突起会导致明显的反射和折射效果（图3c）。
图3. “消失”的高折射率材料曲面。
减反功能和波前调控功能的融合具有重要的应用意义，可以将超表面领域推广至任意材料的表面/界面，用于消除材料本身阻抗不匹配所造成的反射，同时具备超表面的波前调控功能。也就是说，这种新型超表面可以同时提升界面光学/电磁学的效率和灵活性。除了“消失”的表面之外，作者还展示了多种高效的、超薄的界面电磁器件，包括被“隐身”的电介质物体，介质表面上的无反射高效负折射，介质表面上的无反射高效平板轴棱镜，等等。这一研究成果为实现不同材料之间灵活、高效的电磁/光学耦合开辟了一条新的道路。
该研究成果近期以“Invisible surfaces enabled by the coalescence of anti-reflection and wavefront controllability in ultrathin metasurfaces”为题发表在了Nature communications上。全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24763-9本文第一作者为南京大学的褚宏晨助理研究员。通讯作者为南京大学的赖耘教授和伦敦大学玛丽女王学院的Yang Hao教授。合作者包括南京大学的彭茹雯教授和王牧教授，张阳硕士以及南京理工大学的张皓洋博士。