เมตาเซอร์เฟซแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นวัสดุสองมิติที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อควบคุมพฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอาร์เรย์ของคุณลักษณะย่อยความยาวคลื่น แตกต่างจากเมตาวัสดุ แบบก้อน ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษผ่านโครงสร้างสามมิติ เมตาเซอร์เฟซจะควบคุมคลื่นที่ส่วนต่อประสานโดยการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูด เฟส หรือโพลาไรเซชันอย่างฉับพลัน รูปแบบบางและแบนราบทำให้สามารถทำหน้าที่ที่โดยทั่วไปต้องใช้ส่วนประกอบทางแสงขนาดใหญ่ เช่น เลนส์หรือโพลาไรเซอร์ ภายในชั้นบางพิเศษเพียงชั้นเดียว^{[ 1 ] [ 2 ]}

โดยทั่วไป เมตาเซอร์เฟซจะถูกสร้างขึ้นจากการจัดเรียงองค์ประกอบเรโซแนนซ์แบบเป็นคาบหรือไม่เป็นคาบ เช่น เสาอากาศโลหะ ตัวกระจายไดอิเล็กทริก หรือฟิล์มที่มีลวดลาย ซึ่งโต้ตอบกับคลื่นตกกระทบ ขึ้นอยู่กับการออกแบบ เมตาเซอร์เฟซสามารถทำงานในโหมดสะท้อน โปร่งแสง หรือดูดซับ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการควบคุมทิศทางลำแสงการปรับรูปร่างหน้าคลื่น โฮโลแกรม และวิศวกรรมการกระจายตัว การออกแบบขั้นสูงกว่านั้นจะรวมวัสดุที่ปรับได้ (เช่นผลึกเหลวกราฟีนหรือสารประกอบเปลี่ยนเฟส) ทำให้เกิดพื้นผิวอัจฉริยะที่ปรับเปลี่ยนได้ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมรูปแบบการกระเจิงและการแผ่รังสีแบบไดนามิกและตั้งโปรแกรมได้^{[ 3 ]}

ในอดีต เมตาเซอร์เฟซสร้างขึ้นจากการศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับการเลี้ยวเบนที่ผิดปกติในตะแกรงโลหะ ( ความผิดปกติของวูด , 1902) และการพัฒนาในภายหลังของพื้นผิวพลาสมอนโพลาไรตันสาขานี้ขยายตัวอย่างมากในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ด้วยการเกิดขึ้นของโครงสร้างนาโนพลาสมอนิก และในช่วงทศวรรษ 2010 ด้วยการสาธิต "เลนส์แบน" และโฮโลแกรมระนาบ ตั้งแต่นั้นมา เมตาเซอร์เฟซได้รับการพัฒนาสำหรับช่วงความยาวคลื่นที่หลากหลาย ตั้งแต่ความถี่วิทยุ (RF) และไมโครเวฟไปจนถึงแสงที่มองเห็นได้ ทำให้สามารถวิจัยในด้านเทคโนโลยีล่องหน การสื่อสาร การถ่ายภาพ และการตรวจจับทางชีวภาพได้^{[ 4 ] [ 5 ]}

เมตาเซอร์เฟซได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะแพลตฟอร์มอเนกประสงค์สำหรับวิศวกรรมแม่เหล็กไฟฟ้าและทัศนศาสตร์ พวกมันทำหน้าที่ทั้งเป็นเครื่องมือในการสำรวจกฎทั่วไปของการสะท้อนและการหักเห และเป็นเทคโนโลยีที่ช่วยให้ระบบออปติคอลขนาดกะทัดรัด การลดพื้นที่หน้าตัดเรดาร์ โฟโตนิกส์แบบบูรณาการ และการถ่ายภาพทางชีวภาพ การพัฒนาอย่างรวดเร็วของพวกมันทำให้พวกมันกลายเป็นหัวข้อสำคัญในนาโนโฟโตนิกส์ การวิจัยเสาอากาศ และวิทยาศาสตร์วัสดุในปัจจุบัน^{[ 1 ] [ 2 ] [ 6 ]}

โดยทั่วไป เมตาเซอร์เฟซถูกนิยามว่าเป็นอาร์เรย์สองมิติที่มีโครงสร้างเทียมขององค์ประกอบย่อยความยาวคลื่นซึ่งควบคุมคุณสมบัติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานโดยรวม เนื่องจากความหนาของเมตาเซอร์เฟซนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นในการทำงาน เมตาเซอร์เฟซจึงสามารถถือได้ว่าเป็นความไม่ต่อเนื่องที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในแอมพลิจูด เฟส หรือโพลาไรเซชันของคลื่นขาเข้า^{[ 1 ] [ 2 ]}

แม้ว่าผู้เขียนหลายคนจะเน้นย้ำถึงแง่มุมที่แตกต่างกัน เช่น อาร์เรย์ของนาโนแอนเทนนา^{[ 6 ]}องค์ประกอบการกระเจิงเป็นระยะ^{[ 7 ]}หรือฟิล์มบางพิเศษที่มีการดูดซับที่ผิดปกติ^{[ 1 ] แต่}แนวคิดที่เป็นเอกภาพคือเมตาเซอร์เฟซได้รับฟังก์ชันการทำงานจากโครงสร้างสองมิติที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมมากกว่าจากองค์ประกอบของวัสดุจำนวนมาก

เมตาเซอร์เฟซสามารถจำแนกได้หลายวิธีที่เสริมกัน ขึ้นอยู่กับรูปแบบการปฏิสัมพันธ์ วัตถุประสงค์การใช้งาน หรือกลไกการสร้าง หมวดหมู่เหล่านี้มักจะทับซ้อนกัน: อุปกรณ์ชิ้นเดียวอาจทั้งสะท้อนแสงและปรับเปลี่ยนโครงสร้างได้ หรือทำหน้าที่ทั้งควบคุมทิศทางลำแสงและแปลงโพลาไรเซชันไปพร้อมกัน

โดยการโต้ตอบ

• เสาอากาศสะท้อนแสง ( Reflectarray antenna ) – ปรับรูปร่างคลื่นตกกระทบโดยการสะท้อน โดยทั่วไปจะใช้ระนาบกราวด์โลหะ^{[ 6 ]}
• การส่งผ่าน ( เสาอากาศแบบส่งผ่าน ) – ปรับเปลี่ยนคลื่นขณะที่ผ่านเข้ามา ทำหน้าที่เหมือนเลนส์บางเฉียบ^{[ 8 ]}
• การดูดซับ ( ตัวดูดซับเมตามาเทเรียล ) – ยับยั้งการสะท้อนและการส่งผ่านเพื่อให้ได้การดูดซับที่เกือบสมบูรณ์แบบ^{[ 9 ]}

โดยเจตนาเชิงฟังก์ชัน

• การควบคุมทิศทางและการโฟกัสลำแสง – เปลี่ยนทิศทางหรือรวมพลังงานผ่านการควบคุมการไล่ระดับเฟส^{[ 5 ]}
• การสร้างรูปร่างหน้าคลื่นและโฮโลแกรม – สร้างลำแสงที่มีโครงสร้าง (โฮโลแกรม ลำแสงวน) โดยใช้การควบคุมแอมพลิจูดและเฟส^{[ 10 ]}
• วิศวกรรมการกระจายตัว – การตอบสนองความถี่/เวลาในการออกแบบเพื่อการกรองหรือการแก้ไขสี^{[ 2 ]}
• การแปลงโพลาไรเซชัน – แปลงระหว่างสถานะโพลาไรเซชันเชิงเส้นและเชิงวงกลม โดยมักจะผ่านองค์ประกอบเฟสทางเรขาคณิต (Pancharatnam–Berry) ^{[ 5 ]}

โดยกลไก

• เมตาเซอร์เฟซแบบพาสซีฟ – อาศัยรูปทรงเรขาคณิตคงที่เพื่อให้ได้การตอบสนองแบบคงที่ (เช่น การออกแบบแบบโฮโลแกรมหรือแบบคลื่นรั่ว)
• เมตาเซอร์เฟซที่ปรับเปลี่ยนได้ (เรียกอีกอย่างว่า RIS หรือเมตาเซอร์เฟซที่ตั้งโปรแกรมได้) – ประกอบด้วยส่วนประกอบที่ปรับแต่งได้ เช่น MEMS ผลึกเหลว หรือกราฟีน เพื่อให้สามารถควบคุมรูปแบบการกระเจิงและการแผ่รังสีแบบไดนามิกได้^{[ 11 ]}

การวิจัยเกี่ยวกับเมตาเซอร์เฟซแม่เหล็กไฟฟ้ามีประวัติอันยาวนาน ในช่วงต้นปี 1902 โรเบิร์ต ดับเบิลยู. วูดพบว่าสเปกตรัมการสะท้อนของตะแกรงโลหะที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นมีพื้นที่มืด ปรากฏการณ์ที่ผิดปกตินี้ถูกตั้งชื่อว่าความผิดปกติของวูด และนำไปสู่การค้นพบพื้นผิวพลาสมอนโพลาไรตัน (SPP) ^{[ 12 ]}ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดพิเศษที่ถูกกระตุ้นที่พื้นผิวโลหะ ต่อมา ปรากฏการณ์สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ ความสัมพันธ์ของเลวี-ซีวิทา^{[ 13 ]}ได้ถูกนำเสนอ ซึ่งระบุว่าฟิล์มที่มีความหนาน้อยกว่าความยาวคลื่นสามารถส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในเงื่อนไขขอบเขตแม่เหล็กไฟฟ้า

โดยทั่วไป เมตาเซอร์เฟซอาจรวมถึงแนวคิดดั้งเดิมบางอย่างในสเปกตรัมไมโครเวฟ เช่น พื้นผิวเลือกความถี่ (FSS) แผ่นอิมพีแดนซ์ และแม้แต่แผ่นโอห์มิก ในย่านไมโครเวฟ ความหนาของเมตาเซอร์เฟซเหล่านี้สามารถน้อยกว่าความยาวคลื่นของการทำงานมาก (ตัวอย่างเช่น 1/1000 ของความยาวคลื่น) เนื่องจากความลึกของผิวสามารถน้อยที่สุดสำหรับโลหะที่มีการนำไฟฟ้าสูง เมื่อเร็วๆ นี้ ได้มีการสาธิตปรากฏการณ์ใหม่ๆ บางอย่าง เช่นการดูดซับที่สมบูรณ์ แบบแบบโคherent อัลตร้าบรอดแบนด์ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าฟิล์มหนา 0.3 นาโนเมตรสามารถดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดในช่วงความถี่ RF ไมโครเวฟ และเทราเฮิร์ตซ์ได้^{[ 9 ] [ 14 ] [ 15 ]}

ในการใช้งานด้านทัศนศาสตร์สารเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงอาจถือได้ว่าเป็นเมตาเซอร์เฟซอย่างง่ายเช่นกัน ดังที่ลอร์ดเรย์ลีย์ได้สังเกตเป็นครั้งแรก

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาเมตาเซอร์เฟซใหม่หลายชนิด รวมถึงเมตาเซอร์เฟ ซ พลาสมอนิก^{[ 16 ] [ 4 ] [ 6 ] [ 17 ]} เมตาเซอร์เฟซที่ใช้เฟสทางเรขาคณิต^{[ 5 ] [ 18 ]} เมตาเซอร์เฟซที่ใช้แผ่นอิมพีแดนซ์^{[ 19 ] [ 20 ]}และเมตาเซอร์เฟซแบบสมมาตรเลื่อน^{[ 21 ]}

หนึ่งในการประยุกต์ใช้ที่สำคัญที่สุดของเมตาเซอร์เฟซคือการควบคุมหน้าคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยการให้เฟสชิฟต์แบบไล่ระดับเฉพาะที่แก่คลื่นที่เข้ามา ซึ่งนำไปสู่การสรุปกฎการสะท้อนและการหักเหแบบโบราณ^{[ 5 ]}ด้วยวิธีนี้ เมตาเซอร์เฟซสามารถใช้เป็นเลนส์ระนาบ^{[ 22 ] [ 23 ]}เลนส์ส่องสว่าง^{[ 24 ]}โฮโลแก รม ระนาบ^{[ 10 ]}เครื่องกำเนิดกระแสน้ำวน^{[ 25 ]}ตัวเบี่ยงเบนลำแสงแอ็กซิคอนและอื่นๆ^{[ 18 ] [ 26 ]}

นอกจากเลนส์เมตาเซอร์เฟซแบบไล่ระดับแล้วซูเปอร์เลนส์ ที่ใช้เมตาเซอร์เฟซ ยังให้การควบคุมหน้าคลื่นอีกระดับหนึ่งโดยใช้คลื่นเอวาเนสเซนต์ ด้วยพลาสมอนพื้นผิวในชั้นโลหะบางเฉียบ การสร้างภาพที่สมบูรณ์แบบและลิโทกราฟีความละเอียดสูงพิเศษจึงเป็นไปได้ ซึ่งทำลายสมมติฐานทั่วไปที่ว่าระบบเลนส์ออปติคอลทั้งหมดถูกจำกัดด้วยการเลี้ยวเบน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน^{[ 27 ] [ 28 ]}

เลนส์โฟกัสเมตาเซอร์เฟซแบบไดอิเล็กทริกทั้งหมดที่มีซับเวฟเลงท์ซึ่งทำงานในย่านอินฟราเรดใกล้ได้รับการสาธิตโดยกลุ่ม Shalaev ร่วมกับทีมRaytheon ^{[ 29 ]}ปัจจุบันเลนส์นี้ถูกนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์ระบบป้องกันของ Raytheon

การประยุกต์ใช้ที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งคือในด้านเทคโนโลยีล่องหน โดยทั่วไปแล้ว พื้นที่หน้าตัดเรดาร์ (RCS) ของเป้าหมาย จะลดลงได้โดยใช้ วัสดุดูดซับรังสี (RAM) หรือโดยการออกแบบรูปร่างของเป้าหมายเพื่อให้พลังงานที่กระเจิงสามารถเบี่ยงเบนออกไปจากแหล่งกำเนิดได้ อย่างไรก็ตาม RAM มีฟังก์ชันการทำงานในช่วงความถี่แคบ และการออกแบบรูปร่างเพื่อจุดประสงค์เฉพาะเจาะจงจะจำกัดประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ของเป้าหมาย มีการสังเคราะห์เมตาเซอร์เฟซที่เบี่ยงเบนพลังงานที่กระเจิงออกไปจากแหล่งกำเนิดโดยใช้ทฤษฎีอาร์เรย์^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}หรือกฎของสเนลล์แบบทั่วไป^{[ 33 ] [ 34 ]}ซึ่งนำไปสู่รูปร่างที่เหมาะสมทางอากาศพลศาสตร์สำหรับเป้าหมายที่มี RCS ลดลง

เมตาเซอร์เฟซยังสามารถรวมเข้ากับท่อนำแสงเพื่อควบคุมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แบบนำทางได้อีกด้วย ^{[ 35 ] [ 36 ]}แอปพลิเคชันสำหรับเมตาเวฟไกด์เช่น ตัวแปลงโหมดท่อนำแสงแบบรวม^{[ 36 ]}การสร้างแสงที่มีโครงสร้าง^{[ 37 ] [ 38 ]}มัลติเพล็กเซอร์อเนกประสงค์^{[ 39 ] [ 40 ]}และเครือข่ายประสาทโฟตอนิก^{[ 41 ]}สามารถเปิดใช้งานได้

นอกจากนี้ เมตาเซอร์เฟซยังถูกนำไปใช้ในตัวดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตัวแปลงโพลาไรเซชันโพลาริมิเตอร์และตัวกรองสเปกตรัม^{[ 42 ]}อุปกรณ์ไบโออิมเมจจิ้งและไบโอเซนเซอร์แบบใหม่ที่เสริมศักยภาพด้วยเมตาเซอร์เฟซก็เกิดขึ้นและได้รับการรายงานเมื่อเร็ว ๆ นี้เช่นกัน^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]}สำหรับอุปกรณ์ไบโออิมเมจจิ้งแบบออปติกหลายชนิด ขนาดที่ใหญ่และน้ำหนักที่มากทำให้การใช้งานในทางคลินิกมีข้อจำกัด^{[ 47 ] [ 48 ]}

มีวิธีการต่างๆ มากมายสำหรับการจำลองปฏิสัมพันธ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนเมตาเซอร์เฟซ และเพื่อช่วยในการออกแบบ เช่น วิธี ไฟไนต์ดิฟเฟอเรนซ์ไทม์โดเมน (FDTD), วิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (FEM) และการวิเคราะห์คลื่นคู่แบบเข้มงวด (RCWA)

สำหรับเมตาเซอร์เฟซเชิงแสงแบบระนาบ อัลกอริทึมแบบปริซึมช่วยให้สามารถแบ่งพื้นที่ปริซึมสามเหลี่ยม ซึ่งเหมาะสมที่สุดสำหรับรูปทรงเรขาคณิตแบบระนาบ อัลกอริทึมแบบปริซึมมีองค์ประกอบน้อยกว่าวิธีการแบบเตตระเฮดรัลทั่วไป ทำให้มีประสิทธิภาพในการคำนวณสูงขึ้น^{[ 49 ]}ชุดเครื่องมือจำลองได้รับการเผยแพร่ทางออนไลน์ ทำให้ผู้ใช้สามารถวิเคราะห์เมตาเซอร์เฟซที่มีรูปแบบพิกเซลที่กำหนดเองได้อย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 50 ]}

Traditional simulation methods have historically been effective for modeling electromagnetic metasurfaces, providing valuable insights and reliable results. However, recent advancements in artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) have revolutionized this field by offering significantly enhanced capabilities^[51][52]. These modern techniques are not only faster but also more accurate, enabling researchers and engineers to perform complex simulations with greater precision and efficiency. AI and ML algorithms can analyze vast datasets, identify intricate patterns, and make predictions that would be computationally intensive or infeasible with conventional methods. As a result, the integration of AI and machine learning into electromagnetic metasurface simulations has opened new avenues for innovation, allowing for more rapid prototyping, optimization, and real-time analysis in various applications such as antenna design, radar systems, and electromagnetic compatibility testing.

Characterizing metasurfaces in the optical domain requires advanced imaging methods since the involved optical properties often include both phase and polarization properties. Recent works suggest that vectorial ptychography, a recently developed computational imaging method, can be of relevance. It combines the Jones matrix mapping with a microscopic lateral resolution, even on large specimens.^[53]

• Kinoform