東京農工大學研究生院的佐藤建都（2022年3月碩士畢業）和鈴木健仁副教授（JST創發研究員），開發出了動作頻率為0.3THz（太赫茲、波長為1mm）的無偏光、超高折射率、低反射率的「超構表面」（Metasurface）新材料。對於未來的6G（Beyond5G）通信及7G通信，使用這種超構表面材料製作的用來接收太赫茲波段電磁波的超透鏡天線（Meta-Lens Antenna）與光源相融合的研究正在推進之中。相關成果已刊登在德國的《De Gruyter Nanophotonics》雜誌上。
圖1 本研究開發的無偏光、超高折射率、低反射率的超構表面材料
超構表面材料由尺寸為太赫茲電磁波波長1/3左右的超原子（Meta-Atom）（圖2）正方形金屬構造在電介質基底層的正反兩面對稱配置構成。（供圖：東京農工大學）
圖2 本次研究開發的無偏振特性、超高折射率、低反射率的超構表面材料放大圖
超原子對於太赫茲電磁波像原子和分子一樣工作。（供圖：東京農工大學）
太赫茲波段的電磁波具有10的12次方極高振動頻率。迄今為止接收太赫茲電磁波的透鏡等光學元件多使用折射率、反射率等材料特性固定的天然材料（環烯烴聚合體、氧化鎂、硅等）。如果能以低反射率實現天然材料無法實現的超高折射率，則有可能製造出能夠自由地接收太赫茲電磁波的新型透鏡和天線等光學元件。
截止目前，研究團隊已獨立開發出了隻對一個方向的偏光具有高折射率的超構表面材料，用來接收太赫茲電磁波。另一方面，還需要製作出可對全方向偏光反應的、易於處理的超高折射率和低反射率新材料。
本次研究在有望用於6G通信的0.3太赫茲頻帶實現了對任何偏振方向都具有超高折射率和低反射率的超構表面材料。從傳統超構表面材料僅對一個偏振方向具有高折射率的結構出發，經過使用電磁場模擬器的大量解析，最終實現了對任何偏振方向都具有高折射率的超構表面結構。
超構表面材料由此村為太赫茲電磁波波長1/3左右的超原子（Meta-Atom）正方形金屬構造，在電介質基底層的正反兩面對稱配置而成。每個超原子的舉動對於太赫茲電磁波而言就像原子和分子一樣。研究團隊通過設計超原子的尺寸和間距，將超構表面材料的相對介電常數和相對磁導率控制在接近且較高的數值下，實現了自然界中不存在的超過10的超高折射率及1%的低反射率。
通過太赫茲時域光譜實驗，證實所製作的超構表面材料在0.31THz具有折射率為14+j0.49、反射率為1%、透射率為86.9%的材料特性。並且通過以太赫茲電磁波的入射方向為軸心旋轉所製作的超構表面材料的試驗，證實了其在任何偏振方向上都具有超高折射率和低反射率。
圖3 獨立製作的非偏振特性、超高折射率、低反射率的超構表面材料的（a）整體圖像和（b）放大圖像。具有自然界中不存在的超過10的超高折射率和1%的低反射率。（供圖：東京農工大學）
對全方向偏光具有超高折射率和低反射率的超構表面材料已開始應用於具有無偏振特性的超透鏡天線等中，並且在6G資訊通信、各種感測器設備、代替X射線的安心安全成像技術等方面的應用也備受期待。此外，如果能將這種超構表面材料的頻率提高到數十太赫茲以上的紅外區域，還有望應用於熱管理，例如通過將煉鋼爐渣及底灰等釋放的熱輻射集中到特定方向，使熱能更容易回收等。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：De Gruyter Nanophotonics
論文：Polarization-independent isotropic metasurface with high refractive index, low reflectance, and high transmittance in the 0.3-THz band
URL：doi.org/10.1515/nanoph-2022-0788
