文章摘要：

手性吸波超材料可以通过将线性极化波转换为圆极化波来增强微波衰减性能。然而，关于如何将入射波进一步转换为涡旋波以克服角动量不匹配，进而实现宽带隐身的机制尚不明确。本研究提出了一种手性辅助几何相位(CAGP)超表面，利用Pancharatnam-Berry (PB)相位概念，能够将入射平面波转换为反射涡旋波。在多极化模式电磁波入射下，该超表面展现出优异的自适应转换能力，其有效吸收带宽(吸收率≥90%，反射损耗≤−10 dB)达到6.92 GHz (9.16–16.08 GHz)，且厚度仅为2.48 mm。通过轨道角动量(OAM)相位和幅度分析，详细讨论了生成的涡旋波的模式纯度，并利用仿真模型分析和验证了其有效性和实用性。此外，所设计的超表面在雷达散射截面(RCS)缩减性能方面表现出色，并具备稳定的极化不敏感特性。综上所述，本研究展示了一种可定制的超表面，用于操纵OAM谱并实现宽带微波衰减，在手性吸波超材料的多元化应用中展现出巨大的潜力。

研究背景：

为了满足日益增长的隐身需求，传统的电磁波吸收材料需要突破仅能衰减幅度的局限，实现多维度的微波调控。涡旋波作为一种具有独特特性的电磁波，其轨道角动量(OAM)特性为量子场、光镊和信息加密等领域带来了新的可能性。值得注意的是，涡旋波转换引起的电磁波损耗限制了其在OAM通信中的应用，却为增强波吸收材料的吸收特性提供了新的思路。此外，集成化和智能化的发展趋势要求微波隐身材料以尽可能低的厚度进行设计和制备。基于此，受Pancharatnam-Berry (PB)相位概念的启发，我们提出了一个概念上新颖的高熵合金(HEAs)带状分层手性辅助几何相位(CAGP)超表面，以期实现宽带隐身和集成化应用。

研究内容：

1. 材料设计与制备：
利用高熵合金(HEAs)带状材料，通过旋转变换单元结构，引入几何相位梯度。设计了不同拓扑电荷(l= ±1、l= ±3和l= ±5)的涡旋超表面，以实现多种OAM模式的操控。通过双层叠加结构，结合手性效应，实现了更薄、更稳定的微波衰减性能。

2. 微波衰减性能分析：

1) 吸波性能分析：测试了x极化和y极化入射波激励下，不同拓扑电荷涡旋超表面的反射损耗和有效吸收带宽，其中涡旋模式l= −3的CAGP超表面有效吸收带宽达6.92 GHz。

2) 极化敏感性分析：与单层结构相比，双层结构具有更好的宽带性能和极化不敏感性。

3. 雷达散射截面积(RCS)分析

1) 单站RCS缩减：CAGP超表面在不同 OAM 模式下均实现了RCS的有效缩减。轨道角动量模式 l= −1的超表面在 15.20 GHz最大缩减量为 19.34 dB。

2) 双站RCS缩减：涡旋波前扩散特性使双站RCS在12 GHz频率下降至2.32 dBsm，相较于完美电导体(PEC)平面减缩了12.35 dBsm。

4. 吸波机理分析

1) 左旋圆极化波入射激发涡旋模式：CAGP超表面成功地将入射左旋圆极化波转化为具有l= −1、l= −3和l= −5三种轨道角动量模式的螺旋相位波前的同极化涡旋波。

2) 线极化波入射激发涡旋模式：对比圆极化波激励下的涡旋波纯度，模式l= −1、l= −3和l= −5的GACP超表面的涡旋波纯度均出现下降的情况。

3) 轨道角动量操控：CAGP超表面能够将入射线/圆极化波转换为携带不同拓扑荷的涡旋波，从而实现极化转换与电磁波能量耗散。

结论：

1. CAGP超表面设计：基于Pancharatnam-Berry相位的波前调控机制，设计了一种由高熵合金(HEAs)条带构成的CAGP超表面，实现了宽带微波衰减。通过电磁仿真与模式分解方法，揭示了多模态涡旋波转换、远场扩散特性及RCS缩减的多物理机制协同作用。

2. 性能优势：建立手性效应与几何相位双自由度调控模型，通过手性特征调控电磁波振幅，并基于几何相位的自旋−轨道角动量相互作用实现散射场的波前调控。在2.48 mm厚度下，有效吸收带宽达到6.92 GHz (9.16–16.08 GHz)，最佳反射损耗为−42.91 dB。此外，这种超材料展现了优异的RCS降低性能和稳定的极化不敏感性能。

3. 应用潜力：CAGP超表面具有低剖面和低面密度的特性，为其在航空航天等领域的应用提供了可能，从而进一步提升了该超表面的综合性能和应用潜力，例如目标隐身、信道复用、量子系统和高分辨率成像。

致谢：

国家自然科学基金项目（no . 52103334, 52071053, U1704253），中国博士后科学基金（2020M680946, 2020M670748）以及中央高校基本科研业务费（DUT20GF111）资助

图文速览：

图1. CAGP超表面的涡旋波转换示意图

图2. HEAs条带的(a)制备示意图、(b)XRD图谱、(c)在室温下的磁滞回线、(d) TEM图像、(e)元素分布图、(f)EDS线扫描图谱

图3. (a)对称开口三角型结构单元的示意图；(b)线极化波激励下，结构单元的反射谱；(c–d)圆极化波激励下，结构单元的反射谱；(e–g)所设计超表面布局为l= ±1，l= ±3和l= ±5的轨道角动量模式；(h)模式 l= −1的超表面样品的光学照片

图4. (a–c)涡旋模式l= −1、l= −3和l= −5的单层超表面的反射损耗特性；(d–f)拓扑荷数l= −1、l= −3和l= −5的双层CAGP超表面的反射损耗特性；(g)单层和双层CAGP超表面的有效吸收带宽（EAB）的比较；(h)单层超表面的极化敏感特性分析；(i)双层CAGP超表面的极化敏感特性分析

图5. (a) RCS仿真模型；(b–d)多模态CAGP超表面和PEC在不同频率点的单站RCS分布；(e–m)l= −3 CAGP超表面和PEC在8 GHz、12 GHz和16 GHz的双站RCS分布。

图6. 涡旋模式(a)l= −1；(c)l= −3和(e)l= −5在LP波入射下的电场幅度和相位分布的LH分量；(b)l= −1；(d)l= −3；(f)l= −5的电场幅度和相位分布的RH分量；(g–i)具有不同拓扑电荷的CAGP超表面的模态纯度

图7. (a)在11 GHz下，多模态CAGP超表面（l= −1；l= −3；l= −5）的左旋（同极化）分量的电场幅度和相位分布；(b) CAGP超表面的模态光谱；(c) CAGP超表面的三维远场图；(d) CAGP超表面远场的等高线图

【引用】：Yupeng Shi, Yuping Duan*, Lingxi Huang, Wei Chen, Jiangyong Liu, Meng Wang. Chiral-assisted geometric phase metasurfaces: Manipulating orbital angular momentum for efficient microwave attenuation. Composites Part B: Engineering. 2024, 283, 111614.