近日，南京大學物理學院彭茹雯教授、王牧教授研究組聯合美國東北大學劉詠民教授研究組在國際學術期刊《Science》上發表研究論文“Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise”（參見Science 379, 294-299 (2023)），這是南京大學2023年首篇《Science》。

該研究團隊創新性地引入光學響應噪聲調控，成功突破光學超構表面偏振復用的容量極限，為發展高容量光學顯示、信息加密、數據存儲提供新范式。

偏振是光的基本性質，在信號傳輸、傳感探測等方面起著重要的作用，被廣泛應用于光子學和信息技術的多個領域。隨著光學器件的小型化，人們發現在諸如光學超構表面的二維平面系統中，二階瓊斯矩陣能夠完整刻畫偏振光與其相互作用，從而該體系最多只有3個獨立偏振通道，造成偏振復用存在內稟的容量極限。近年來盡管基于機器學習和迭代優化等逆向設計方案很好地優化了偏振復用技術，但是，3個獨立偏振通道的容量極限始終存在。打破該物理上限對于發展高容量的光學顯示、信息加密、數據存儲等應用至關重要。

南京大學彭茹雯和王牧研究組與美國東北大學劉詠民研究組聯合，創新性地將精心設計的光學響應噪聲引入瓊斯矩陣方案中，突破超構表面偏振復用容量的物理極限，理論演繹并實驗證實利用單一超構表面成功獲得高達11個獨立偏振通道，該超構表面在不同偏振的單色可見光照射下可觀測到11種獨立的全息圖像。

該研究結果為目前光學超構表面偏振復用的最高容量。基于該理論策略，研究團隊又進一步證實這種新型的偏振復用技術能夠與其他復用技術（比如空間復用，角動量復用等）相融合，并實驗展示單一超構表面（樣品大小僅 0.33mm × 0.33mm）能夠產生36種獨立的全息圖像，形成包含26個英文字母和10個數字的全息鍵盤圖案。該研究為發展亞波長尺度下高容量光學顯示、信息加密、數據存儲提供新思路，在光通信和互聯、光計算、光傳感與探測、增強現實和虛擬現實（AR/VR）技術等領域具有廣闊的應用前景。

眾所周知，噪聲在科學和工程領域通常是有害無益卻又不可避免的。但是，該項工作通過創新性地人為引入光學響應噪聲調控，成功突破了光學超構表面偏振復用的容量極限，為發展高容量光學顯示、信息加密、數據存儲等提供了新的范式，結合其他復用技術（比如空間復用、角動量復用、波長復用等）可以進一步提高多功能復用容量，可望應用于光通信和互聯、光計算、光傳感與探測、AR/VR技術等眾多領域。

此項工作由南京大學和美國東北大學合作完成，南京大學為第一單位。南京大學熊波博士、博士生劉雨和美國東北大學博士生徐亦豪為論文的第一作者；南京大學彭茹雯教授、王牧教授和美國東北大學劉詠民教授為論文的通訊作者；該工作的合作者還包括美國東北大學博士生鄧林和南京大學賴耘教授、王嘉楠博士和碩士生陳超為。該項研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等資助，同時也得到南京大學物理學院、固體微結構物理國家重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等支持。

揚子晚報/紫牛新聞記者  楊甜子

校對 陶善工