随着信息处理需求不断上升，传统电路面临性能极限。如何在光学频段实现高效的数字逻辑处理，成为材料科学与光电子领域的研究热点。在此背景下，一种结合微机电系统（MEMS）与尖锐 Fano 共振机制的新型超表面结构应运而生，其核心亮点不仅在于太赫兹频段实现数字逻辑门功能，更展示出“多输入-多输出（MIO）”的可编程特性，为未来光计算与通信安全奠定了基础。该研究成果发表在了自然通讯（Nature Communication）杂志《Reconfigurable MEMS Fano metasurfaces with multiple-input–output states for logic operations at terahertz frequencies》并引起了业界的广泛关注和深度的研究。
一、MEMS超表面：从单输入走向多输入逻辑
传统的超材料设计大多具备单一输入-输出特性，难以满足数字逻辑所需的多态处理能力。本研究由新加坡南洋理工大学与新加坡国立大学等联合团队完成，提出了一种可重构的MEMS超表面，结构上由两个独立控制的分裂环谐振器（SRR）组成。通过对SRR分别施加不同电压（V1、V2），研究人员能够调控它们在垂直方向的结构高度差，从而诱导结构不对称性（参数记为δ），激发尖锐的Fano共振现象。
Fano共振因其极高的灵敏度和陡峭的频谱特性，在传感、调制与非线性增强等领域已展现广泛前景。而此次MEMS结构引入“z轴维度重构”，打破以往平面内调控的限制，使得共振行为对结构微变极其敏感，从而赋予系统MIO（Multiple Input–Output）特性。
二、从电压控制到Fano共振调控：逻辑门的物理机制
在具体设计中，每个SRR可独立上下移动，其初始状态为悬空（“上”），在施加电压后吸附到硅基底上（“下”）。这种结构高度的变化直接决定了SRR之间的近场耦合强度，进而影响共振特性。
当两个SRR均为悬空或均为吸附状态时（即对称结构，δ=0），系统仅表现出常规偶极共振；而当仅有一个SRR下压时（不对称结构，δ>0），Fano共振被强烈激发，频率出现在0.56 THz附近。这种共振随电压变化出现明显的非线性响应与路径依赖性，即相同电压差（ΔV）下，通过先升后降或先降后升路径得到不同的输出——类似滞回曲线，体现了光响应的“记忆”效应。
三、数字逻辑功能实现：XOR、XNOR、NAND、NOT一应俱全
研究进一步将结构状态（二进制：上=0，下=1）与Fano共振响应（二进制：无=0，有=1）建立映射，实现了多个数字逻辑功能：
- XOR（异或）：仅当两个输入不同（01或10）时激发Fano共振，对应输出为1，其余为0。
- XNOR（同或）：基于Fano共振Q因子调制而得，输入相同则Q值高（输出为1），不同则低（输出为0）。
- NAND：通过计算近场电场强度实现，仅当两个输入都为1时输出为0，其余均为1；具备通用逻辑门意义。
- NOT / PASS：在固定一侧输入下改变另一侧状态，通过Fano强度是否翻转实现逻辑取反与传递。
值得注意的是，这些逻辑操作通过“结构态”进行控制，与传统电子门不同，不依赖晶体管网络，而是依赖材料物理状态与光响应的关系。这为构建超低功耗、超快响应的光逻辑处理单元提供可能。
四、可加密通信示范：基于Fano逻辑的OTP传输
研究团队进一步展示了该MEMS超表面在通信安全领域的应用前景。借助XOR逻辑门特性，可实现一次性密码（OTP）系统。通过将私密信息（m）与预共享密钥（k）在光学态中异或（F = m ⊕ k），生成光学密文信号，在接收端通过再次异或运算解密（m = F ⊕ k），完成无中间暴露的加密解码全过程。
该方法将光通信与硬件级逻辑融合，避免传统电子加解密环节，提升了通信安全与传输速率，尤其适用于未来的高速太赫兹无线通信网络、国防数据保护、银行系统等敏感应用场景。
五、未来展望：从逻辑器件到数字可编程超材料平台
这项研究不仅展示了MEMS+Fano超结构在逻辑运算中的潜力，还为构建数字可编程超材料平台打开了思路：
- 多态调控：MIO特性意味着可以通过多个电控输入精细调控输出，适用于多通道信号处理；
- 非易失性记忆单元：由于MEMS结构可保持状态，具备存储功能，未来或能用于光学RAM设计；
- 可级联逻辑结构：研究表明多个MEMS单元可串联组合，实现复杂逻辑函数，实现光子型布尔逻辑网络。
从元器件层面看，该MEMS超表面兼具低功耗、非线性强、逻辑可重构等特点，代表了材料驱动下的“硬件即逻辑”趋势，或将成为下一代光子信息处理与安全通信系统的关键构件。
可重构MEMS Fano超表面的提出，是继数字超材料、可编程超透镜后超构材料发展的又一里程碑。它把光学逻辑、结构非对称性与电控MEMS紧密结合，为我们打开了一扇通往全新“光子逻辑”计算体系的大门。
