自旋解耦钙钛矿超表面实现多通道光束调控与全息成像的动态切换

这篇研究提出了一种基于钙钛矿材料的自旋解耦编码超表面（metasurface），通过结合几何相位（PB phase）和传播相位，实现了对x线偏振（x-LP）、y线偏振（y-LP）、左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）的独立动态调控。该设计在1.0 THz核心频段下，利用钙钛矿绝缘态/金属态的可逆切换，分别实现双线偏振分焦（z=1.9 mm/1 mm）和双圆偏振涡旋光束（OAM模式l=1/l=2）生成，同时支持四通道偏振选择性全息显示（字母"G/U/E/T"），为光学加密和动态全息技术提供了新思路。

　　

Highlight
本文提出了一种用于多通道光束调控和全息成像的自旋解耦钙钛矿超表面，该器件可在单一结构中同步执行两种功能。研究解决了现有编码超表面在复杂结构、功能单一及偏振光独立相位控制不足等问题。通过钙钛矿材料绝缘态/金属态的可逆切换，实现了对x线偏振（x-LP）、y线偏振（y-LP）、左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）四种偏振态的独立动态控制：钙钛矿绝缘态时，x-LP和y-LP分别聚焦于不同焦距（z=1.9 mm/1 mm）；金属态时，LCP和RCP则转化为携带不同拓扑电荷（l=1/l=2）的涡旋光束。结合传播相位与潘查拉特纳姆-贝里相位（PB phase）的自旋解耦原理，实现了波前处理及特定反射通道的偏振选择性全息图生成。在全息显示应用中，该超表面可根据偏振态和材料状态动态呈现不同全息图像，为全息显示技术和加密方法提供了创新视角。

Theoretical analysis and structural design
潘查拉特纳姆-贝里相位（PB phase）作为几何相位，在不同频段对圆偏振波具有卓越调控能力。基于PB相位的单元结构无需改变尺寸，仅需调整空间取向即可实现360°相位覆盖，通常具备宽带无色散特性。值得注意的是，PB相位对左旋（LCP）和右旋圆偏振（RCP）的符号相反。

The focus of LP
当钙钛矿处于电导率0.08 S/m的介质态时，超表面可独立调控x-LP和y-LP相位。通过梯度相位排列设计，该结构实现了x-LP在z=1.9 mm、y-LP在z=1 mm的双焦点分离聚焦，其物理机制源于各向异性单元结构对正交线偏振的差异化相位响应。

Conclusion
我们提出的自旋解耦钙钛矿超表面，通过铜金属条与钙钛矿十字结构的可逆相变，在1.0 THz核心频段实现了四偏振态（x-LP/y-LP/LCP/RCP）动态切换，兼具多通道光束调控与全息成像功能。该设计为太赫兹波段的光学加密、动态全息及OAM通信提供了新范式。