超表面是一种光学元件，具有从激光雷达和光谱学到隐形斗篷和全息图等未来技术等现实应用中不可或缺的专业功能。它们以其紧凑和微/纳米尺寸的特性而闻名，这使它们能够集成到摩尔定律所预测的尺寸不断减小的电子计算机系统中。

为了允许这样的创新，超表面必须能够操纵入射光，通过操纵光的振幅或相位(或两者兼而有之)并将其发射出去。然而，在整个周期范围内动态调制相位是一项非常困难的任务，很少有作品通过牺牲大量的幅度控制来做到这一点。

面对这些限制的挑战，该团队提出了一种通用方法，使超表面能够实现具有完整360°相位范围的动态相位调制，同时均匀地保持显著的幅度水平。

实现这一壮举困难的根本原因是，在动态控制光的光学相位方面有一个基本的权衡。超表面通常通过光学共振来实现这样的功能，这是超表面结构内部电子的激发，与入射光一起谐波振荡。为了能够在整个0-360°范围内进行调制，必须对光共振频率(光谱中心)进行大量调谐，同时将线宽(光谱宽度)保持在最小值。然而，为了按需调整超表面的光学共振频率，需要有一个可控的电子流入和流出到超表面，这不可避免地导致前面提到的光学共振的更大的线宽。

由于光学共振的相位和振幅以复杂的非线性方式密切相关，因此很难在改变相位的同时对振幅进行实质性控制，从而使问题进一步复杂化。

该团队的工作通过使用两个光学共振来解决这两个问题，每个共振都有特定的属性。一个共振提供了相位和振幅之间的去耦，以便相位能够被调谐，同时保持显著和均匀的振幅水平，以及提供窄线宽。

另一种共振提供了被充分调谐到很大程度的能力，以便可以实现完整的全圆范围的相位调制。这项工作的精髓是通过一种称为避免交叉的现象将两种共振的不同特性结合起来，从而使两种共振之间的相互作用导致所需特性的合并，从而达到甚至超过均匀幅度的完整360°相位调制。

张教授表示:“我们的研究提出了一种新的动态相位调制方法，突破了传统的限制和权衡，同时广泛适用于各种类型的元表面。我们希望这一想法能够帮助研究人员实施和实现超表面的许多关键应用，如激光雷达和全息图，从而使纳米光子学产业不断发展，并提供更光明的技术未来。”

该研究由三星电子的三星研究基金和孵化中心资助。