电磁超表面是由单层人工微结构单元按照一定宏观序排列而成的平面型超构材料。因其可在亚波长尺度下实现对电磁波的高效调控，超表面成为近期国际研究热点。其中，一类具有金属/介质/金属三明治构型的电磁超表面被国内外科学家广泛使用。通过不同的设计，这类超表面可实现包括偏振转换、异常反射，以及完美吸收等诸多截然不同的功能。然而，对于为什么这类超表面可通过微小的结构调整而展现出如此不同的电磁响应，人们并不清楚内部机理，特别是对几何参数与电磁功能之间的内在关联没有清楚的认识。
人工微结构科学与技术协同创新中心成员、复旦大学周磊教授课题组结合理论与实验回答了上述问题。注意到该结构只支持电磁波反射而不允许透射，课题组建立了一个简单的单模单共振耦合模模型（图1（a,b））来统一描述这类体系，其中最重要的两个参数是分别由辐射和吸收导致的体系共振品质因子（用Qr和Qa标定）。课题组揭示了这类超表面的功能多样性来源于体系辐射和吸收能力的竞争（图1（c,d））：（1）当Qr < Qa时, 体系处于由辐射主导的欠阻尼区域，展现出磁共振特征，共振点附近的反射相位经历从-180度到180度的连续变化；（2）当 Qr > Qa时，体系处于由内禀吸收主导的过阻尼区域，展现出电共振特征，共振点附近的相位变化范围小于180°；（3）体系对电磁波的吸收率随着两个品质因子失配程度的变小而不断增大，当Qr = Qa时，体系将处在完美吸收状态。
图 1 （a）金属/介质/金属型超表面的示意图及（b）单模通道耦合模模型。体系的（c）吸收与（b）相位变化范围随两个无量纲参量Qr和Qa的变化相图。
由于该体系的复杂性，一般研究者很少能定量描述其有效参数。周磊课题组针对一类典型结构，通过严格理论在合理近似下得到了其两个Q因子的解析表达式，并以此为桥梁将体系的结构参数与最终具有的电磁响应联系在一起，展示了如何通过调节体系结构参数实现不同功能区域之间的跨越。进一步，课题组通过仿真模拟设计出实际结构并在THz频段实验验证了理论预言。图2展示的是如何通过改变介质层厚度来驱动体系在不同功能区域之间进行切换，其中，理论、仿真与实验完美吻合。
这项工作可帮助理解这类超表面实现不同功能时的内在机理，并给出了一条实用路线指导人们设计所需的功能性器件。成果于2015年12月发表于美国《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 115, 235503(2015)）, 复旦大学物理系博士生屈澈、马少杰为该论文共同第一作者，复旦大学物理系周磊教授和中科院上海技术物理研究所的郝加明研究员共同担任本文的通讯作者。
图 2 （a）和（b）分别描述随着介质层厚度的变化，耦合模理论中Q参数的变化以及在体系在相图上的移动。（c）和（d）具体标定了在这样的厚度变化下体系（c）反射率和（d）反射相位的变化。