Обзор метаповерхностей: физика и применения

Метаматериалы состоят из периодических субволновых металлических/диэлектрических структур, которые резонансно взаимодействуют с электрической и/или магнитной составляющими падающих электромагнитных полей, демонстрируя свойства, не встречающиеся в природе. Этот класс искусственных микро- и наноструктурированных сред за последние 15 лет вызвал значительный интерес и привёл к прорывным достижениям в области электромагнитных и фотонных явлений. Однако высокие потери и сильная дисперсия, связанные с резонансными откликами и использованием металлических структур, а также сложность изготовления микро- и наномасштабных трёхмерных структур препятствовали практическому применению метаматериалов. Планарные метаматериалы с субволновой толщиной, или метаповерхности, состоящие из однослойных или многослойных пакетов планарных структур, могут быть относительно легко изготовлены методами литографии и нанопечати, а ультратонкая толщина в направлении распространения волны позволяет значительно подавить нежелательные потери. Метаповерхности обеспечивают пространственно изменяющийся оптический отклик, например амплитуду рассеяния, фазу и поляризацию, формируют оптические волновые фронты в произвольно задаваемые формы и облегчают интеграцию функциональных материалов для реализации активного управления и значительно усиленного нелинейного отклика. В статье рассматривается современный прогресс в физике метаповерхностей, работающих в диапазоне длин волн от микроволнового до видимого. Представлен обзор ключевых концепций метаповерхностей, таких как аномальные отражение и преломление; введены метаповерхности, основанные на фазе Паншаратнама—Берри, и метаповерхности Гюйгенса, а также рассмотрено их применение для формирования волнового фронта и управления пучком. Далее обсуждается преобразование поляризации в многослойных метаповерхностях и связанные с ним свойства. Обзор диэлектрических метаповерхностей показывает их способность реализовывать уникальные функциональные возможности, связанные с резонансами Ми, при низких омических потерях. Также описаны метаповерхности для направления волн и излучения...