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近日，南京大学物理学院彭茹雯教授、王牧教授研究组联合美国东北大学刘咏民教授研究组在国际学术期刊《Science》上发表研究论文“Breaking the limitation of polarization multiplexing in optical metasurfaces with engineered noise”（参见Science 379, 294-299 (2023)），这是南京大学2023年首篇《Science》。

该研究团队创新性地引入光学响应噪声调控，成功突破光学超构表面偏振复用的容量极限，为发展高容量光学显示、信息加密、数据存储提供新范式。

偏振是光的基本性质，在信号传输、传感探测等方面起着重要的作用，被广泛应用于光子学和信息技术的多个领域。随着光学器件的小型化，人们发现在诸如光学超构表面的二维平面系统中，二阶琼斯矩阵能够完整刻画偏振光与其相互作用，从而该体系最多只有3个独立偏振通道，造成偏振复用存在内禀的容量极限。近年来尽管基于机器学习和迭代优化等逆向设计方案很好地优化了偏振复用技术，但是，3个独立偏振通道的容量极限始终存在。打破该物理上限对于发展高容量的光学显示、信息加密、数据存储等应用至关重要。

南京大学彭茹雯和王牧研究组与美国东北大学刘咏民研究组联合，创新性地将精心设计的光学响应噪声引入琼斯矩阵方案中，突破超构表面偏振复用容量的物理极限，理论演绎并实验证实利用单一超构表面成功获得高达11个独立偏振通道，该超构表面在不同偏振的单色可见光照射下可观测到11种独立的全息图像。

该研究结果为目前光学超构表面偏振复用的最高容量。基于该理论策略，研究团队又进一步证实这种新型的偏振复用技术能够与其他复用技术（比如空间复用，角动量复用等）相融合，并实验展示单一超构表面（样品大小仅 0.33mm × 0.33mm）能够产生36种独立的全息图像，形成包含26个英文字母和10个数字的全息键盘图案。该研究为发展亚波长尺度下高容量光学显示、信息加密、数据存储提供新思路，在光通信和互联、光计算、光传感与探测、增强现实和虚拟现实（AR/VR）技术等领域具有广阔的应用前景。

众所周知，噪声在科学和工程领域通常是有害无益却又不可避免的。但是，该项工作通过创新性地人为引入光学响应噪声调控，成功突破了光学超构表面偏振复用的容量极限，为发展高容量光学显示、信息加密、数据存储等提供了新的范式，结合其他复用技术（比如空间复用、角动量复用、波长复用等）可以进一步提高多功能复用容量，可望应用于光通信和互联、光计算、光传感与探测、AR/VR技术等众多领域。

此项工作由南京大学和美国东北大学合作完成，南京大学为第一单位。南京大学熊波博士、博士生刘雨和美国东北大学博士生徐亦豪为论文的第一作者；南京大学彭茹雯教授、王牧教授和美国东北大学刘咏民教授为论文的通讯作者；该工作的合作者还包括美国东北大学博士生邓林和南京大学赖耘教授、王嘉楠博士和硕士生陈超为。该项研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金委等资助，同时也得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。

扬子晚报/紫牛新闻记者  杨甜子

校对 陶善工