大約十年前，哈佛工程師首次展示了世界上首個可見光譜超表面——這種超薄平面器件表面布滿了納米級結(jié)構(gòu)，能夠精確控制光的行為。作為傳統(tǒng)笨重光學(xué)元件的革命性替代品，如今的超表面技術(shù)已催生出從成像系統(tǒng)、增強現(xiàn)實到光譜學(xué)及通信領(lǐng)域的各類緊湊輕量多功能應(yīng)用。

如今，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員通過開發(fā)雙層超表面，在技術(shù)上更進一步。這種結(jié)構(gòu)并非單層，而是由兩層堆疊的二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在顯微鏡下，這種新器件猶如一片密集的階梯狀摩天大樓群。相關(guān)研究發(fā)表于《自然·通訊》期刊。

資深作者Federico Capasso表示："這是納米技術(shù)領(lǐng)域的頂尖突破"，他是SEAS應(yīng)用物理學(xué)Robert L. Wallace講席教授兼電氣工程Vinton Hayes高級研究員，"這一成果開啟了結(jié)構(gòu)化光的新維度，使我們能以前所未有的方式調(diào)控光的波長、相位和偏振等所有特性...標(biāo)志著超表面研究突破表面局限，開辟了新方向。"

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從多個視圖掃描獨立雙層超表面的電子顯微鏡圖像

幾個世紀(jì)以來，光學(xué)系統(tǒng)依賴笨重的玻璃或塑料曲面透鏡來偏折和聚焦光線。過去十年由SEAS引領(lǐng)的超表面革命，開發(fā)出布滿數(shù)百萬微納結(jié)構(gòu)的超薄平面器件，能以納米級精度操控光波。超透鏡（metalens）便是典型例證：不同于傳統(tǒng)透鏡，超透鏡可利用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝制造，為智能手機、相機和增強現(xiàn)實設(shè)備帶來小型化集成光學(xué)系統(tǒng)。

自Capasso團隊首次展示可偏折可見光的實用超透鏡后，他們與哈佛技術(shù)發(fā)展辦公室合作，通過技術(shù)授權(quán)創(chuàng)立了Metalenz公司。后續(xù)研發(fā)已展示其在內(nèi)窺鏡、人工眼和望遠鏡鏡頭等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。

但Capasso團隊首創(chuàng)的單層納米結(jié)構(gòu)設(shè)計存在某些限制。例如，以往超表面需對光波的偏振（即電磁波振動方向）提出特定要求才能實現(xiàn)光調(diào)控。

論文共同第一作者、研究生Alfonso Palmieri解釋道："此前已有許多關(guān)于雙層超表面理論可能性的探討，但真正的瓶頸在于制造工藝"。這項突破使人們可以設(shè)想新型多功能光學(xué)器件，例如單側(cè)投射一種影像、另一側(cè)顯示完全不同畫面的系統(tǒng)。

借助哈佛納米系統(tǒng)中心設(shè)備，由前博士后研究員Ahmed Dorrah和Joon-Suh Park等組成的團隊，開發(fā)出獨立自支撐的雙層超表面制造工藝。該結(jié)構(gòu)兩層結(jié)合牢固卻互不產(chǎn)生化學(xué)影響。雖然多層級圖案化在硅半導(dǎo)體領(lǐng)域已屬常見，但在光學(xué)和超光學(xué)領(lǐng)域仍屬前沿。

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獨立式雙層超表面的制造工藝

為展示器件性能，研究團隊設(shè)計實驗：利用雙層超透鏡對偏振光的作用，替代傳統(tǒng)復(fù)雜的波片-反射鏡系統(tǒng)。未來研究可擴展至更多層級，實現(xiàn)對光波其他特性的調(diào)控，例如覆蓋整個可見光及近紅外光譜的高效超寬帶運作，為更復(fù)雜的光學(xué)功能打開大門。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58205-7