We propose a tunable metasurface consisting of an array of graphene ribbons on a silver mirror with a SiO2 gap layer to control reflected wavefront at terahertz frequencies. The graphene ribbons exhibit localized plasmon resonances depending on their Fermi levels to introduce abrupt phase shifts along the metasurface. With interference of the Fabry-Perot resonances in the SiO2 layer, phase shift through the system is largely accumulated, covering the 0-to-2π range for full control of the wavefront. Numerical simulations prove that wide-angle beam steering up to 53° with a high reflection efficiency of 60% is achieved at 5 THz within a switching time shorter than 0.6 ps.

1.
D. R.
Smith
,
J. B.
Pendry
, and
M. C. K.
Wiltshire
,
Science
305
,
788
(
2004
).
2.
C. M.
Soukoulis
,
S.
Linden
, and
M.
Wegener
,
Science
315
,
47
(
2007
).
4.
B.
Luk'yanchuk
,
N. I.
Zheludev
,
S. A.
Maier
,
N. J.
Halas
,
P.
Nordlander
,
H.
Giessen
, and
C. T.
Chong
,
Nat. Mater.
9
,
707
(
2010
).
5.
A.
Ishikawa
,
T.
Tanaka
, and
S.
Kawata
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
237401
(
2005
).
6.
J.
Valentine
,
S.
Zhang
,
T.
Zentgraf
,
E.
Ulin-Avila
,
D. A.
Genov
,
G.
Bartal
, and
X.
Zhang
,
Nature
455
,
376
(
2008
).
7.
W.
Cai
,
U. K.
Chettiar
,
A. V.
Kildishev
, and
V. M.
Shalaev
,
Nat. Photonics
1
,
224
(
2007
).
8.
N.
Liu
,
L.
Langguth
,
T.
Weiss
,
J.
Kästel
,
M.
Fleischhauer
,
T.
Pfau
, and
H.
Giessen
,
Nat. Mater.
8
,
758
(
2009
).
9.
C.-C.
Chen
,
A.
Ishikawa
,
Y.-H.
Tang
,
M.-H.
Shiao
,
D. P.
Tsai
, and
T.
Tanaka
,
Adv. Opt. Mater.
3
,
44
(
2015
).
10.
N.
Yu
,
P.
Genevet
,
M. A.
Kats
,
F.
Aieta
,
J.-P.
Tetienne
,
F.
Capasso
, and
Z.
Gaburro
,
Science
334
,
333
(
2011
).
11.
N.
Yu
and
F.
Capasso
,
Nat. Mater.
13
,
139
(
2014
).
12.
X.
Chen
,
L.
Huang
,
H.
Mühlenbernd
,
G.
Li
,
B.
Bai
,
Q.
Tan
,
G.
Jin
,
C.-W.
Qiu
,
S.
Zhang
, and
T.
Zentgraf
,
Nat. Commun.
3
,
1198
(
2012
).
13.
X.
Ni
,
A. V.
Kildishev
, and
V. M.
Shalaev
,
Nat. Commun.
4
,
2807
(
2013
).
14.
L.
Huang
,
X.
Chen
,
H.
Mühlenbernd
,
H.
Zhang
,
S.
Chen
,
B.
Bai
,
Q.
Tan
,
G.
Jin
,
K.-W.
Cheah
,
C.-W.
Qiu
,
J.
Li
,
T.
Zentgraf
, and
S.
Zhang
,
Nat. Commun.
4
,
2808
(
2013
).
15.
X.
Yin
,
Z.
Ye
,
J.
Rho
,
Y.
Wang
, and
X.
Zhang
,
Science
339
,
1405
(
2013
).
16.
D.
Lin
,
P.
Fan
,
E.
Hasman
, and
M. L.
Brongersma
,
Science
345
,
298
(
2014
).
17.
A. K.
Geim
and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Mater.
6
,
183
(
2007
).
18.
F.
Bonaccorso
,
Z.
Sun
,
T.
Hasan
, and
A. C.
Ferrari
,
Nat. Photonics
4
,
611
(
2010
).
19.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
20.
R. R.
Nair
,
P.
Blake
,
A. N.
Grigorenko
,
K. S.
Novoselov
,
T. J.
Booth
,
T.
Stauber
,
N. M. R.
Peres
, and
A. K.
Geim
,
Science
320
,
1308
(
2008
).
21.
J.
Chen
,
M.
Badioli
,
P.
Alonso-Gonzalez
,
S.
Thongrattanasiri
,
F.
Huth
,
J.
Osmond
,
M.
Spasenović
,
A.
Centeno
,
A.
Pesquera
,
P.
Godignon
,
A. Z.
Elorza
,
N.
Camara
,
F. J.
Garcıa de Abajo
,
R.
Hillenbrand
, and
F. H. L.
Koppens
,
Nature
487
,
77
(
2012
).
22.
Z.
Fang
,
S.
Thongrattanasiri
,
A.
Schlather
,
Z.
Liu
,
L.
Ma
,
Y.
Wang
,
P. M.
Ajayan
,
P.
Nordlander
,
N. J.
Halas
, and
F.
Javier García de Abajo
,
ACS Nano
7
,
2388
(
2013
).
23.
A.
Ishikawa
and
T.
Tanaka
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
253110
(
2013
).
24.
M.
Jablan
,
H.
Buljan
, and
M.
Soljačić
,
Phys. Rev. B
80
,
245435
(
2009
).
25.
A.
Vakil
and
N.
Engheta
,
Science
332
,
1291
(
2011
).
26.
L.
Ju
,
B.
Geng
,
J.
Horng
,
C.
Girit
,
M.
Martin
,
Z.
Hao
,
H. A.
Bechtel
,
X.
Liang
,
A.
Zettl
,
Y. R.
Shen
, and
F.
Wang
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
630
(
2011
).
27.
F. H. L.
Koppens
,
D. E.
Chang
, and
F. J.
García de Abajo
,
Nano Lett.
11
,
3370
(
2011
).
28.
S. H.
Lee
,
M.
Choi
,
T.-T.
Kim
,
S.
Lee
,
M.
Liu
,
X.
Yin
,
H. K.
Choi
,
S. S.
Lee
,
C.-G.
Choi
,
S.-Y.
Choi
,
X.
Zhang
, and
B.
Min
,
Nat. Mater.
11
,
936
(
2012
).
29.
A. N.
Grigorenko
,
M.
Polini
, and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Photonics
6
,
749
(
2012
).
30.
C. M.
Watts
,
D.
Shrekenhamer
,
J.
Montoya
,
G.
Lipworth
,
J.
Hunt
,
T.
Sleasman
,
S.
Krishna
,
D. R.
Smith
, and
W. J.
Padilla
,
Nat. Photonics
8
,
605
(
2014
).
31.
R.
Kersting
,
G.
Strasser
, and
K.
Unterrainer
,
Electron. Lett.
36
,
1156
(
2000
).
32.
C.-F.
Hsieh
,
R.-P.
Pan
,
T.-T.
Tang
,
H.-L.
Chen
, and
C.-L.
Pan
,
Opt. Lett.
31
,
1112
(
2006
).
33.
H.-T.
Chen
,
W. J.
Padilla
,
M. J.
Cich
,
A. K.
Azad
,
R. D.
Averitt
, and
A. J.
Taylor
,
Nat. Photonics
3
,
148
(
2009
).
34.
N.
Karl
,
K.
Reichel
,
H.-T.
Chen
,
A. J.
Taylor
,
I.
Brener
,
A.
Benz
,
J. L.
Reno
,
R.
Mendis
, and
D. M.
Mittleman
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
091115
(
2014
).
35.
F.
Lu
,
B.
Liu
, and
S.
Shen
,
Adv. Opt. Mater.
2
,
794
(
2014
).
36.
Y.
Huang
,
Q.
Zhao
,
S. K.
Kalyoncu
,
R.
Torun
,
Y.
Lu
,
F.
Capolino
, and
O.
Boyraz
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
161106
(
2014
).
37.
R.
Blanchard
,
G.
Aoust
,
P.
Genevet
,
N.
Yu
,
M. A.
Kats
,
Z.
Gaburro
, and
F.
Capasso
,
Phys. Rev. B
85
,
155457
(
2012
).
38.
X.
Ni
,
N. K.
Emani
,
A. V.
Kildishev
,
A.
Boltasseva
, and
V. M.
Shalaev
,
Science
335
,
427
(
2012
).
39.
A.
Pors
,
O.
Albrektsen
,
I. P.
Radko
, and
S. I.
Bozhevolnyi
,
Sci. Rep.
3
,
2155
(
2013
).
40.
P. B.
Johnson
and
R. W.
Christy
,
Phys. Rev. B
6
,
4370
(
1972
).
41.
W.
Gao
,
J.
Shu
,
C.
Qiu
, and
Q.
Xu
,
ACS Nano
6
,
7806
(
2012
).
42.
C.
Lu
,
Q.
Fu
,
S.
Huang
, and
J.
Liu
,
Nano Lett.
4
,
623
(
2004
).
43.
A.
Das
,
S.
Pisana
,
B.
Chakraborty
,
S.
Piscanec
,
S. K.
Saha
,
U. V.
Waghmare
,
K. S.
Novoselov
,
H. R.
Krishnamurthy
,
A. K.
Geim
,
A. C.
Ferrari
, and
A. K.
Sood
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
210
(
2008
).
You do not currently have access to this content.