曼徹斯特大學(xué)國家石墨烯研究所的研究人員開發(fā)出新型可重構(gòu)智能表面，可動態(tài)調(diào)控太赫茲（THz）與毫米波。這項(xiàng)突破性成果近日發(fā)表于《自然·通訊》，攻克了長期存在的技術(shù)難題，為下一代6G無線技術(shù)和非侵入式成像系統(tǒng)開辟了道路。

該突破核心在于一種有源空間光調(diào)制器——其表面擁有超過30萬個亞波長像素，可在透射與反射模式下操控太赫茲光。此前調(diào)制器僅能進(jìn)行小規(guī)模演示，而曼徹斯特團(tuán)隊通過將石墨烯基太赫茲調(diào)制器與大面積薄膜晶體管（TFT）陣列集成，首次實(shí)現(xiàn)了廣域太赫茲光振幅與相位的高速可編程控制。

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新型可重構(gòu)智能表面

曼徹斯特大學(xué)二維器件材料教授Coskun Kocabas表示："我們開發(fā)出了一種在空前規(guī)模和速度下動態(tài)控制太赫茲波的新方法。通過將石墨烯光電子學(xué)與先進(jìn)TFT顯示技術(shù)結(jié)合，現(xiàn)在能夠?qū)崟r重構(gòu)復(fù)雜太赫茲波前。"

研究展示了多項(xiàng)功能突破，包括可編程太赫茲透射模式、波束控制、灰度全息成像，以及概念驗(yàn)證型單像素太赫茲相機(jī)。這些功能的實(shí)現(xiàn)得益于對石墨烯的精細(xì)靜電門控調(diào)控——這種材料在太赫茲頻段展現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性。

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單像素太赫茲相機(jī)

論文共同作者、現(xiàn)任巴斯大學(xué)講師的M. Said Ergoktas博士補(bǔ)充道："我們的器件通過調(diào)節(jié)連續(xù)石墨烯薄膜的局部電荷密度實(shí)現(xiàn)像素級控制，無需傳統(tǒng)石墨烯圖案化工藝。這種架構(gòu)支持利用商用顯示器背板進(jìn)行可擴(kuò)展制造。"

該團(tuán)隊設(shè)計的器件架構(gòu)還支持動態(tài)波束調(diào)控和軌道角動量結(jié)構(gòu)太赫茲波束生成，這對先進(jìn)太赫茲通信系統(tǒng)至關(guān)重要。其中一項(xiàng)突破性演示展示了二進(jìn)制'叉形'衍射圖案如何產(chǎn)生具有可調(diào)渦旋階數(shù)的環(huán)形光束，這對多路數(shù)據(jù)傳輸和波束整形具有重要意義。

在通信領(lǐng)域之外，研究人員還展示了可對隱藏金屬物體成像的單像素太赫茲相機(jī)，標(biāo)志著安防、工業(yè)監(jiān)測和醫(yī)療診斷領(lǐng)域的非侵入式檢測技術(shù)取得重大進(jìn)展。該方法采用壓縮感知算法從調(diào)制太赫茲圖案中重建圖像，凸顯了其可編程平臺的靈活性。

Kocabas教授指出："此前太赫茲調(diào)制器始終受限于規(guī)模和速度。通過融合顯示技術(shù)，我們證明了該領(lǐng)域可從實(shí)驗(yàn)室演示走向?qū)嶋H應(yīng)用。"

研究者表示下一步將提升調(diào)制速度，并將系統(tǒng)擴(kuò)展至反射模式以實(shí)現(xiàn)全光譜成像。未來研究還將聚焦于將該平臺與先進(jìn)波束成形系統(tǒng)及下一代6G無線技術(shù)深度融合。

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