清华大学深圳国际研究生院的宋清（Qinghua Song）教授团队在《Nano Letters》期刊2025年1月刊上发表了一项突破性研究，题为《Chirality-Free Full Decoupling of Jones Matrix Phase-Channels with a Planar Minimalist Metasurface》。该研究通过创新的平面超表面设计，首次实现了无手性条件下琼斯矩阵（Jones matrix）四相位通道的完全解耦，为波前调制技术开辟了新路径。

学术背景
在光学超表面领域，琼斯矩阵作为描述材料光学响应的核心工具，其四个相位通道（phase-channels）的独立调控一直是重大挑战。传统方法需引入手性（chirality），依赖多层或三维超表面结构，导致设计复杂且效率受限。该研究旨在突破这一限制，通过偏振基变换（polarization base transformation）实现四通道解耦，从而超越传统线偏振（LP）或圆偏振（CP）基的固有边界。

研究流程与方法
1. 理论框架构建
研究团队首先建立了椭圆偏振基（EP bases）下的琼斯矩阵理论模型。通过数学推导证明，当椭偏度χ≠0且≠π/4时，四通道可完全解耦（公式3-7）。这一发现打破了传统LP/CP基下仅能调控三通道的限制（图1c）。

1. 超表面设计与仿真

   • 结构设计：采用单层二氧化钛（TiO₂）纳米棒阵列（图2a-b），每个单元仅含一根椭圆截面纳米棒，通过旋转角度θ（0-90°）和尺寸（长轴lu=100-300 nm，短轴lv=100-300 nm）实现相位调控。
     
   • 仿真验证：在λ=580 nm波长下，模拟显示纳米棒旋转30°时，LP基下交叉偏振项（jxy=jyx）、CP基下同偏振项（jll=jrr）均存在耦合，而EP基下四通道完全独立（图2e-g）。

2. 逆向设计算法开发
   研究团队创新性地提出基于梯度下降算法（gradient descent algorithm）的三阶段优化流程（图3）：

   • 第一阶段：采用结构相似性指数（SSIM）优化全息图像边缘清晰度（loss1）。
     
   • 第二阶段：通过均方误差（MSE）均衡能量分布（loss2）。
     
   • 第三阶段：利用能量聚焦因子（EFF）提升目标区域能量集中度（loss3）。该算法仅需φxx、φyy和θ三个自由度即可编码四通道全息图。

3. 实验验证
   通过电子束光刻制备的样品（图5a-b）在EP基（χ=π/8, ψ=0）照明下，成功投射出”A/B/C/D”四幅独立全息图（图5c-f），通道间串扰低于-20 dB，验证了理论模型的准确性。

主要结果与发现
1. 通道解耦机制：EP基下，四通道相位差Δφ可达2π范围，且相关性分析显示χ=π/8时解耦效果最优（图4a）。
2. 全息成像性能：实测衍射效率达78%，较传统CP基设计提升40%。
3. 带宽特性：非共振设计使工作带宽覆盖可见光波段（400-700 nm），优于窄带手性超表面。

结论与价值
该研究的意义体现在：
1. 科学价值：首次证明无手性超表面可实现四通道完全解耦，丰富了偏振光学理论。
2. 技术革新：提出的”单纳米棒+三自由度”架构（图2）极大简化了多功能超表面设计流程。
3. 应用前景：在增强/虚拟现实（AR/VR）显示、光学加密（如论文提及的log-periodic monopole array技术）、高密度光通信等领域具有直接应用潜力。

研究亮点
1. 方法论创新：将梯度下降算法与傅里叶变换结合，实现非迭代式全息编码。
2. 结构极简性：相比需多层堆叠的手性超表面，单层纳米棒设计更利于大规模制备。
3. 通用性框架：该EP基变换策略可扩展至太赫兹、微波等其他波段。

补充价值
研究还发现基底（SiO₂）介电常数对通道解耦具有微调作用（补充材料图S1），这为后续主动调控超表面设计提供了新思路。团队开源的梯度下降算法代码（PyTorch 2.0实现）将进一步推动相关领域发展。