《Sensors and Actuators A: Physical》：A theoretical study on a multifunctional metastructure device capable of implementing a reconfigurable binary encoding encoder
编辑推荐：
提出基于液晶的双逻辑层可重构编码器，通过椭圆图案结构集成准连续谱、电动力学透明和线圆偏振转换功能。利用参数α和旋转角σ作为独立逻辑层实现四重编码，验证电压调控下结构可重构性，为化学传感、慢光器件和信号稳定提供理论支持。
作者：Shuo Dai、Jun-Rui Pan、Jun-Jie Luo、Hai-Feng Zhang
南京邮电大学电子与光学工程学院及柔性电子学院（未来技术），中国南京 210023
摘要
本文提出了一种基于液晶（LC）的可重构编码器，该编码器具有两种逻辑电平，可以实现多种功能。通过连续体中的准束缚态（quasi-BIC）激发，有效地将电磁诱导透明性（EIT）和线偏振到圆偏振（LCP）转换集成在一个统一的结构中，展示了这三种特性的成功结合。该编码器采用高度简化的配置，由下层的二氧化硅和上层的硅组成。在硅层中刻有两个椭圆形图案，并注入液晶。最后，玻璃封装防止了液晶的泄漏。此外，通过研究施加电压对液晶的影响，验证了该编码器的可重构性。结果证实，可以通过外部电压调制动态调整工作频率，从而证明了这种可重构编码器的可行性。液晶的不对称参数α决定了准BIC的产生，而旋转角度σ控制了LCP转换的发生。这两个参数可以被视为不同的逻辑电平，用于构建四种逻辑编码，从而实现编码功能。本文仍处于理论研究阶段。由于所提出的编码器同时集成了BIC、EIT和LCP转换，因此在化学传感、慢光器件设计和信号稳定性增强方面具有重要的理论价值。
引言
超结构（MSs）是人工周期性结构，具有自然界材料无法实现的特性，如负折射率[1]、手性[2]、非对称函数[3]和独特的三维配置。MSs作为现代科学和工程领域的重要研究焦点，因其能够操控电磁（EM）场而受到关注。MSs为操控EM波提供了多功能且有效的方法，应用于逻辑器件[4]、成像[5]、传感[5],[6]、角度选择性[7]和宽带吸收[8],[9]等领域，显著推动了各个科学和技术领域的进展。
电磁诱导透明性（EIT）是一种由光与物质相互作用产生的非线性量子光学现象[10]。这种现象发生在三能级原子系统中，本质上是由于不同原子跃迁路径之间的结构干涉而产生的量子干涉效应。近年来，人们对由量子干涉引起的EIT产生了浓厚的研究兴趣[11],[12]。然而，在原子物理学中，形成EIT效应通常需要严格的条件，包括超低温度[13]和强激光泵浦[14]，这严重限制了其实际应用。然而，作为专门的人工材料，MSs可以在室温下实现EIT，显著提高了其稳定性和适应性[15]。EIT效应具有群速度延迟[16]、高折射率（RI）传感[17]和高品质因数（QF）共振[18]等电磁特性，使得基于EIT设计的MS在缓冲和传感领域具有重要的研究价值[17],[19]。Liu等人设计了一种在光学频率下的平面MS，使用基本的光亮偶极天线和暗色四极天线来实现EIT效应，其灵敏度为588 nm/RIU（RIU是折射率单位[20]）。Dong等人提出了一种由三根条形组成的MS，以提高类似EIT的等离子体结构的传感性能，证明其QF很高，传感性能优异[21]。上述两种MS都能产生高QF，表明它们具有强烈的共振特性和出色的传感及光子应用潜力。此外，宽带EIT也是一个重要的研究方向。2021年，Xu等人使用石墨烯和黑磷设计了宽带EIT，并为慢光光学器件提供了理论指导[22]。然而，单功能MSs在当前研究发展中的进展相对滞后。将EIT与其他功能集成已成为当代研究的主要趋势。
除了能够产生极高Q因数的EIT外，连续体中的束缚态（BICs）在光学领域也引起了广泛关注[23]。BICs在光-物质相互作用场景中得到广泛应用，具有广泛的应用前景，如光学传感[23]和非线性光学[24]。BICs通常分为两种基本类型：对称保护的BICs和偶然的BICs[25]。虽然对称性破缺是将对称保护的BICs转换为具有有限品质因数的准BICs的常见机制，但这并非唯一途径。例如，拓扑BICs（如Γ点的极化-涡旋BICs）即使在保持对称性的晶格中也能获得有限的辐射线宽，这是由于参数失谐、有限尺寸效应、基底不对称性或偏离Γ点等因素[28]。De Tommasi等人的工作展示了如何在准狄拉克BICs中实现半整数拓扑电荷极化，说明了准BICs可以在没有明确对称性破缺的情况下出现[28]。基于这一多功能的准BIC平台，Tan等人设计了一种窄带太赫兹滤波器/调制器，其强度调制达到200％，恢复时间小于7 ps，适用于高灵敏度的折射率传感[23]。EIT和准BIC机制都能实现高Q共振，激励许多研究人员将它们集成到单一超结构中。例如，Hajian等人使用支持准BIC的介电MS模拟了经典EIT，为双端口可见光范围器件提供了理论支持[26]。类似地，Alhorri等人基于准BIC介导的EIT设计了一种几何结构简单的MS，适用于生物传感和折射率传感[27]。尽管取得了这些进展，但将三种不同功能集成到一个MS中的研究仍然相对较少。在这项工作中，我们在一个MS中结合了准BIC共振、类似EIT的响应和线偏振到圆偏振的转换，这是向多功能光子器件迈出的重要一步。
偏振是指电磁场矢量的振动方向，是电磁波的基本特性。因此，基于MS的偏振转换器在光学[29]、通信[30]和雷达[31]中得到广泛应用。MS的偏振主要分为三种基本状态：圆偏振、线偏振和椭圆偏振。由于圆偏振比线偏振具有更高的稳定性和更强的抗干扰能力，因此在许多应用中更受青睐，如卫星通信和点对多点通信[32]。因此，LCP转换已成为关键的研究焦点。一些研究人员还在MS上集成了偏振转换和准BIC。例如，Liu等人在2025年设计了一种基于准BIC的LCP转换器件，可用于传感[33]。然而，很少有报告指出MS能够同时实现EIT、BIC和偏振转换。
MS的一个缺点是制造完成后难以修改，这使得可重构MS也成为当前研究的主要关注点。液晶（LC）被广泛用于调节电磁波，它通过外部电场[34]或温度[35]的变化来改变分子的有序排列，从而调节其介电特性。Sharma和Ellenbogen研究了复合MS的全光控制机制，用于快速激光诱导的向列LC的热光非线性，为开发纳米级的主动和多功能光学器件提供了理论支持[36]。2020年，Buchnev等人提出了基于LC的有效超薄空间波长相位调制器的概念[37]。因此，基于LC的多功能器件设计成为当前科学研究的热点。
编码作为数字电路的重要组成部分，被定义为将逻辑电平转换为另一种形式[38]。2014年，Cui等人提出了数字编码MS的概念，成功地将MS与数字信息联系起来[39]。后续研究逐渐集中在编码器的开发上。Cheng等人在2022年结合了场可编程门阵列和MS设计了一个一位编码器[40]。除了传统的编码器设计外，一些研究还探索了利用LCP转换进行编码。Wu等人在2025年研究了一种基于LCP转换的可重构编码器，能够实现圆二色性[41]。虽然基于MS的编码器开发已达到相对成熟的阶段，但利用准BIC生成有限峰值的关注度较低。值得注意的是，准BIC和BIC之间的光谱区别很少被用作编码器设计的基础。
在本文中，通过LC中的两个椭圆形图案实现了可重构MS。通过改变其中一个椭圆形LC图案的主轴引入不对称参数，实现了从BIC到准BIC的转换。这种准BIC同时激发了EIT和LCP转换的出现，从而成功地将准BIC、EIT和LCP转换集成到一个紧凑且简化的MS中。这表明改进后的MS具有多功能性，不仅可用于高性能传感器的开发，还可用于慢光器件的设计和电磁波信号稳定性的增强。因此，所提出的MS显著扩展了其在各种光学和电磁波操控领域的应用潜力，如化学传感、慢光器件设计和信号稳定性增强。基于准BIC和BIC之间的光谱区别以及LCP转换的特性，该MS被证明具有作为两位编码器的潜力。在这种配置中，不对称参数和椭圆形LC图案中是否存在旋转被用作两个独立的逻辑电平。这种编码器不仅具有广泛的应用潜力，还在信息加密和数据存储领域展现出显著优势。本研究完全是计算性质的，完全依赖于使用全波电磁建模进行的数值模拟。尽管目前没有提供实验验证，但模拟框架准确捕捉了所提出结构的电磁特性，确保了可重复性。本研究为未来的实验实现提供了理论参考。
仿真方法
所有仿真均采用有限元方法（FEM）进行。FEM将连续计算域离散为许多小的、不重叠的四面体元素，在这些元素内部使用插值函数近似电磁场。由此，麦克斯韦方程被转换为一个全局代数方程系统，场分布通过数值矩阵解获得。
边界条件定义为沿x和y方向的周期性
全介电MS激发的准BIC和EIT效应
准BIC是由对称性破缺引起的，能够产生高QF。不对称参数定义为α=(2m2-2m1)/2m2=(m2-m1)/m2。通过固定m2的值并改变m1的值，引入了对称性破缺。不同α下的传输光谱如图4(a)所示。当α=0时，只观察到单一的磁偶极共振模式，表明BIC能量被限制在内部而不会泄漏到自由空间中，EIT效应不会出现。当α≠0时，
结论
本文提出了一种基于LC的可重构MS，将准BIC、EIT和LCP转换无缝集成到一个紧凑的配置中。通过修改其中一个椭圆形LC图案引入了结构不对称性，从而实现了高QF共振。当传输谷强度保持在0.9以上时，Q因子在α=0.1时达到7545。由于引入了LC，实现了可重构性。在本文的最后一部分，通过施加电压来改变
作者贡献声明
Jun-Rui Pan：可视化、软件、资源、数据管理。Shuo Dai：撰写——原始草稿、验证、调查、形式分析。Zhang Haifeng：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。Jun-Jie Luo：软件、资源、方法论、资金获取。
作者贡献
所有作者均承认对稿件内容负责，并同意提交稿件，审查了所有结果，并批准了稿件的最终版本。
伦理批准
遵循涉及人类或动物的任何研究的具体指南。
知情同意
已从本研究中的所有参与者处获得了知情同意。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家大学生创新创业培训计划（项目编号：202410293019Z）和南京邮电大学大学生创新创业培训计划的支持。
Shuo Dai出生于2004年，中国江苏省。她目前在中国南京邮电大学电子与光学工程学院及柔性电子学院（未来技术）学习，主要研究方向是拓扑光子学和光子超结构。
