太赫兹波（0.1–10 THz）具有丰富的频谱资源和超高带宽潜力，被认为是支撑未来6G无线通信发展的重要技术方向。面向未来智能通信需求，无线系统不仅需要实现高速数据传输，还需要能够感知通信环境变化，并自动调整信号传输方式。近年来，智能超表面因能够灵活调控电磁波传播方向和特性，成为构建智能无线环境的重要技术平台。然而，现有智能超表面主要依靠预先设定的控制方式工作，缺少对周围电磁环境的自主感知能力，难以根据用户位置和传播环境变化实时调整波束。因此，如何让智能超表面同时具备“感知”和“调控”能力，根据环境变化自主调整波束，是未来6G通信与感知融合发展的关键挑战。
鉴于此，近日，南京大学超导电子学研究所吴培亨院士团队的金飚兵教授、吴敬波教授联合新加坡国立大学仇成伟教授团队，提出并研制了一种具有电磁波方向感知能力的太赫兹智能超表面。该器件基于二氧化钒-金属混合超表面结构，在同一器件中实现了太赫兹波到达方向检测、频率识别和动态波束调控，使超表面能够感知入射电磁波的变化，并根据感知结果主动调整反射波束方向。与课题组此前提出的太赫兹智能超表面（Science Advances 8,eadd1296, 2022）相比，该工作进一步突破了只能感知信号强弱的限制，实现了对电磁波方向的识别，推动智能超表面从“被动响应”向“感知环境并自主调控”迈进。
图1 太赫兹智能反射阵列工作原理示意图。器件利用单元间耦合实现对入射太赫兹波方向和频率信息的感知，并通过二氧化钒相变调控反射相位，实现感知驱动的动态波束控制。
传统到达方向感知通常需要多个探测单元组成阵列，通过比较不同位置接收到的信号差异判断电磁波来源方向。然而，在太赫兹频段，实现尺寸紧凑、功能集成的方向感知仍面临挑战。一方面，传统半导体探测方式依赖光生载流子机制，而太赫兹光子能量较低，难以直接激发硅等半导体材料产生有效光电响应。另一方面，如何将太赫兹波的空间方向信息转换为可测量信号也是实现片上感知的关键问题。
针对这一挑战，研究团队设计了一种基于非厄米耦合的二氧化钒-金属混合阵列。该结构的巧妙之处在于：利用单元之间的耦合作用，将入射太赫兹波的方向和频率信息转化为不同位置超原子之间的响应差异，从而实现对电磁波来源的感知。同时，利用二氧化钒在绝缘态与金属态转换过程中巨大的电导率变化，突破传统半导体能带限制，使太赫兹波信息能够通过电阻变化被直接读取。在此基础上，研究团队进一步利用单元内部耦合调控反射相位，实现波束动态调控。该器件如同一个“太赫兹智能耳”，既能够判断电磁波从哪里来，又能够根据感知结果调整反射方向，实现感知与调控功能的融合。
图2 太赫兹智能超表面实现电磁波来源方向感知。单个功能单元即可识别入射波方向，为后续动态波束调控提供实时反馈。
在实验验证中，研究团队制备了该太赫兹智能超表面原型器件，并系统测试了其方向感知、频率识别和波束调控能力。在185 GHz工作频率下，该器件实现了平均约2°的入射方向探测精度，能够准确判断太赫兹波的来源方向（图2）。同时，通过电控调节超表面编码状态，反射波束可实现灵活偏转，实验测得的波束方向与理论设计高度一致，主瓣角度偏差小于2°。进一步地，研究团队搭建了自适应波束跟踪演示系统。当太赫兹发射端模拟移动终端发生位置变化时，该智能反射阵列能够实时感知入射方向变化，并根据感知结果自动更新调控状态，使反射波束重新指向固定接收端，实现了基于环境感知反馈的动态波束跟踪。这一实验验证了智能超表面由“感知”驱动“调控”的闭环工作模式。
此外，该器件还具备太赫兹频率识别能力。当入射波频率发生变化时，功能单元内部的耦合状态随之改变，并产生可检测的响应差异。实验结果表明，该器件在180–188 GHz范围内实现了优于1 GHz的频率分辨能力（图3）。
图3 太赫兹智能超表面实现频率感知。通过耦合响应变化，器件能够动态识别入射太赫兹波频率，在180–188 GHz范围内实现优于1 GHz的频率分辨能力。
该工作提出了一种感知与调控融合的太赫兹智能超表面架构，实现了无需额外探测器的到达方向感知和波束自主调控，为构建高度集成、智能化的太赫兹电磁系统提供了新的技术路径。未来，该类器件有望在6G通信、智能感知、自主导航和多维电磁信息处理等领域发挥重要作用。
该成果以“Terahertz intelligent reflectarray for direction-of-arrival detection and phase modulation”为题发表在国际光学旗舰期刊Optica上。南京大学陈本纹、郭航兵和新加坡国立大学王驰为论文共同第一作者，吴敬波教授、仇成伟教授和金飚兵教授为共同通讯作者。武汉纺织大学何云斌教授、陈剑副教授在研究中提供了重要支持，南京大学吴培亨院士、陈健教授、王华兵教授、张彩虹教授、范克彬副教授，以及中国工程物理研究院谭为研究员、香港城市大学陈志豪教授和吴耿波教授等给予了指导与帮助。该研究得到了国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费以及江苏省先进电磁波调控技术重点实验室等项目支持。
论文链接：
Terahertz intelligent reflectarray for direction-of-arrival detection and phase modulation
