本研究由Weihao Yang, Jun Qin, Jiawei Long等学者完成，主要通讯作者为Jun Qin, Longjiang Deng, Qingyang Du和Lei Bi。研究团队来自电子科技大学（国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心、电子科学与工程学院）、海南大学、麻省理工学院（材料科学与工程系）及厦门大学（电子工程系）。该研究成果于2023年3月16日在线发表于国际顶尖期刊Nature Electronics上。

这项研究属于电磁超表面（metasurface）与非互易性（non-reciprocity）器件交叉的前沿科学领域。在现代无线通信和雷达系统中，实现信号的隔离、全双工通信以及任意方向的波束控制至关重要。传统的非互易性器件（如隔离器和环形器）依赖外加磁场，体积庞大且难以集成。现有的非互易超表面虽然能实现方向依赖的电磁波调控，但大多需要外部电/磁场偏置、依赖非线性效应或采用时空调制（spatiotemporal modulation），这些机制分别存在功耗高、信号质量差、带宽受限等挑战。因此，本研究旨在开发一种无需外部偏置、无源且线性的自偏置非互易超表面，以实现对前向和后向传播电磁波相位与振幅的按需独立调控，从而推动其在小型化、集成化通信及雷达系统中的应用。

为实现上述目标，研究团队设计并实施了一套完整的研究流程。首先，在材料选择与机理设计阶段，研究团队选用了镧掺杂钡六角铁氧体（La:BaM）作为构建超表面单元（meta-atom）的核心材料。该材料具有高达17,500 Oe的巨大磁晶各向异性场和强剩磁，可提供自偏置能力，无需持续的外部磁场即可维持稳定的磁性。其非互易性源于磁圆双折射（magnetic circular birefringence）和磁圆二色性（magnetic circular dichroism）效应，即圆偏振电磁波在平行或反平行于磁化方向传播时会“感受”到不同的折射率，从而在Mie谐振频率附近产生不对称的传输振幅和相位。超表面单元的结构为位于特氟龙（PTFE）基底上的亚波长La:BaM长方体柱，其磁化方向沿表面法线向上或向下。通过翻转磁化方向，可实现对电磁波响应相位的切换。

其次，在自偏置超表面的构建与编码设计阶段，研究团队提出了一种非互易数字编码超表面（non-reciprocal digital coding metasurface）的方法论。为构建能实现任意双向相位分布的2-bit相位梯度非互易超表面，理论上需要16个基本单元。但巧妙利用磁性单元磁化方向可翻转的特性（即正反磁化方向会使相位响应互换），研制团队将所需单元数量降低至10个，这10个单元是从包含9,192种参数组合的设计空间中，通过权衡传输效率与相位误差的单一优值（figure of merit）筛选出的最优配置，可实现“乐高式”的灵活组装。

在器件制备与实验表征流程中，研究人员首先利用高精度数控机床将La:BaM块材加工成立方柱体，精准充磁至剩磁态后，逐个组装在带有双面胶的亚克力板上并固定于PTFE基板上，形成面积为18.0 cm × 18.0 cm的样品。所有Ku波段（~15 GHz）的测试均在微波暗室中通过矢量网络分析仪（VNA）完成，获取复散射参数S21和S12。为消除多径效应，测量中激活了时域门功能。对于斜入射测试，使用了可旋转平台；对于金属透镜和全息图，则搭建了由步进电机驱动的近场扫描系统进行逐点扫描成像。理论仿真方面，则采用了基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件，并结合Python代码，通过基尔霍夫衍射积分（Kirchhoff diffraction integral）和Gerchberg-Saxton算法计算聚焦特性和全息相位图。

基于上述方法，研究获得了一系列显著成果。首先，研究实现了单向传输型非互易超表面（one-way-transmission NRM）。该器件在磁偶极子和电偶极子-磁四极子混合模式处展现出非对称传输。实验在15.7 GHz处实现了高达7.0 dB的隔离度和低至1.1 dB的插入损耗（insertion loss）。尤为重要的是，该器件在0°至±64°的宽入射角范围内均能保持稳定的非互易性能（即前向与后向传输差异），这一广角耐受特性表明其非常适合集成于天线罩等曲面结构上。其次，实现了非互易波束偏转器（non-reciprocal beam deflector）。通过组装4个特定相位梯度的单元构成一个周期，该器件在正向入射下表现为正常透射（第零阶衍射），而在反向入射下则将波束偏转到30.0° ± 0.5°的特定角度（第一阶衍射），正向和衍射方向的实测传输效率分别达到31.3%和13.8%，如同一个自由空间准环形器。第三，研制了非互易超透镜（non-reciprocal metalens）。该透镜根据双曲相位分布构建，在15 GHz下对正向和反向入射分别实现了55.0 ± 1.5 mm和105.0 ± 1.5 mm的不同焦距，实测聚焦效率分别为30.5%和30.0%，且焦距光斑的斯特列尔比（Strehl ratio）高达0.81和0.91，证明了其达到衍射极限的聚焦性能。第四，展示了非互易全息术（non-reciprocal holography）。通过精心排布单元相位，该超表面实现了在正向传播时显示希腊字母“ε”、反向传播时显示“μ”的全息图像，实测全息衍射效率分别高达84.1%和76.4%。这一系列功能器件有力地证明了该平台对电磁波波前的完全独立的双向调控能力。

本研究的结论具有重要的科学价值和应用潜力。它首次报道了一种无源、线性且完全自偏置的磁性非互易超表面，通过利用La:BaM的巨磁晶各向异性，从根本上解决了传统磁性超表面依赖笨重外部偏置磁场的核心难题。该方法不仅规避了晶体管加载方案的低频限制、非线性方案的动态互易性限制，以及时空调制方案的高功耗和谐波产生问题，还为设计自由空间中的隔离器、环形器以及实现全双工无线通信中收发天线的任意辐射与接收特性提供了全新的紧凑型平台。此外，该方法的材料基础具有可拓展性，通过选用不同的自偏置磁性材料（如尖晶石铁氧体、其他六角铁氧体、石榴石薄膜等），其工作频率有望覆盖从兆赫兹到光频的极宽频谱范围，为从射频到光学频段的非互易器件集成开辟了道路。

该研究的主要亮点体现在以下几个方面。在机理新颖性上，它巧妙利用了自偏置亚波长Mie谐振器中的磁圆双折射效应，实现了双向相位的独立编码。在设计方法学上，首创了基于磁化方向翻转的非互易数字编码超表面设计流程，大大减少了所需单元数量，降低了设计与制造复杂度。在器件性能上，所展示的单向传输器件兼具低插入损耗与超宽角响应；所实现的波束偏转、聚焦与全息功能，均体现了对双向电磁波任意波前调控的灵活性和极高精度。此外，研究对效率损耗来源（反射、相位误差和吸收）进行了深入定量的分析，并指出了通过阻抗匹配层和材料优化可大幅提升效率的明确路径。这些独特性使得该研究不仅在科学原理上取得了突破，也为下一代小型化、高性能非互易电磁器件的实际应用奠定了坚实的理论与实验基础。