敲下键盘，光随指动：主动超表面让全息实时交互成为现实

超表面是一种超薄光学元件，由纳米结构阵列构成，能以传统光学难以实现的方式操控光。不同于通常依赖自身形状与厚度的传统光学元件，超表面利用在平面上精心设计的纳米结构来控制光。

斯图加特大学第二物理研究所所长Laura Na Liu教授表示：“主动超表面能够动态重配光学功能，从而拓展了平面光学的能力，要释放这一潜力，我们需要学会如何在可见光波段对二维超表面中的单个像素进行寻址。”

斯图加特大学的研究人员开发出一种可交互寻址的有机超器件，利用电切换有机材料动态控制光。这一新平台使每个超表面像素都能独立进行电子控制，从而将用户指令直接转化为动态全息图像。

这项工作将主动超表面朝着可编程光学技术又推进了一步。研究成果发表于《自然·通讯》期刊。

从静态功能到可编程超表面

过去十年间，超表面利用纳米结构阵列精确操控光，已使平面光学发生变革。虽然已有许多方法引入主动光学调谐，但大多数超表面器件仍只执行预定义的光学功能，独立像素控制能力十分有限。

斯图加特研究人员的目的是实现真正可编程的超表面。为此，他们将等离激元金纳米天线与超薄电化学活性导电聚合物相集成。

结合平面电子扇出架构，每个超表面像素都能在亚伏电压信号下独立切换，响应时间在毫秒量级，并保持极低的电串扰。所得到的平台能够通过单个像素级别的电子控制，动态更新光学功能。

Liu教授说：“独立寻址是一切可编程技术的基础，未来的超表面也将遵循同样的原理。通过给每一个光学像素赋予独立的电子地址，我们把超表面从预定义的光学元件转变为可实时改变功能的可编程光子平台。”

闭合用户与光的交互回路

为展示平台能力，研究人员将该超器件集成为一个完整的电子控制系统。

通过电脑键盘输入的指令被立即转换为全息投影的字母与数字。在第二项演示中，手持游戏手柄让用户能够玩起经典游戏的全息版本，包括“贪吃蛇”和类似“俄罗斯方块”的方块下落游戏。

全息场景并非显示预设的光学图案，而是随用户操作不断变化，在用户、电子器件与光之间建立起直接的交互回路。

该研究的第一作者Xiangyu Huang博士解释道：“每个像素都必须快速切换，同时与其相邻像素保持电隔离，看到全息图像对用户输入做出即时响应，是一个激动人心的时刻，因为这表明可独立寻址的超表面可以成为真正具有交互性的光学器件。”

迈向可编程主动超表面

与传统光学元件一经制备便基本固定功能不同，同一超器件仅通过改变电驱动信号就能完成不同的光学任务。这种可编程的工作方式使单一光学平台能够在不改变物理结构的情况下支持多种动态功能。

研究人员认为，这一概念的潜力远不止论文中所展示的全息演示。随着更大的像素阵列、更优异的导电聚合物以及更复杂的电子控制系统不断涌现，可独立寻址的超表面有望为成像、通信、传感和可穿戴光子学等领域带来越来越强大的自适应光学技术。

刘教授表示：“这项工作代表着迈向可编程主动超表面的重要一步，随着可独立寻址的光学像素日趋规模化，我们预期在纳米光子学、电子学与智能控制的交汇点上，将出现全然崭新的动态光学技术机遇。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41467-026-75757-4