可以實現電磁效應快速調諧的新型非金屬超材料

上圖所示，是這種新型超表面材料的藝術化展現。光線（紅色）發射到硅圓柱體上，改變了它們的電磁特性，可以精確地調節它們與電磁波相互作用情況。圖片來源，杜克大學。

杜克大學的研究人員建造了一個無金屬、可動態調節的超表面材料來控制電磁波。該方法可以形成從改進的安全掃描器到新類型的視覺顯示器的技術基礎。

這一研究結果發表在近期的《先進材料Advanced Materials》雜誌上。

超材料是一種人造材料，通過其結構的性質而不是光的化學來操縱光和聲波之類的波。研究人員可以設計這些材料具有稀有或不自然的特性，比如吸收特定範圍的電磁光譜或向後彎曲光的能力。

杜克大學電氣與計算機工程教授Willie Padilla說：「這些材料是由單獨的單元組成的網格，可以單獨調節。當波通過表面時，超材料可以控制網格中每個位置的振幅和相位，這使得我們可以以許多不同的方式來操縱波。」

在新技術中，每個網格位置包含一個只有50微米高和120微米寬的微型硅圓柱體，這些圓柱體彼此間隔170微米。雖然硅通常不是導電材料，但研究人員在一個稱為光摻雜的過程中用特定頻率的光轟擊圓柱體。通過在圓柱體表面激發電子，這種典型的絕緣材料具有金屬性質。

這些新釋放的電子使圓柱體與通過它們的電磁波相互作用。圓柱體的大小決定了它們可以相互作用的光的頻率，而光摻雜的角度影響它們如何操縱電磁波。通過有目的地設計這些細節，超材料可以以許多不同的方式控制電磁波。

上圖所示是對包括可調諧電介質超材料的圓柱體的微觀觀察。

在這項研究中，圓柱體被設計成與太赫茲波相互作用，這是微波和紅外光之間的電磁波譜帶。控制這種波長的光可以改善衛星之間的寬頻通信，或者實現一些安全技術，可以很容易地掃描衣物。該方法還可以簡單地通過調整圓柱體的尺寸來適應電磁光譜的其他波段，如紅外或可見光。

Padilla說：「我們展示了一個新的領域，我們可以通過調整光摻雜的方式來動態地控制金屬表面的每個點。例如，我們通過創建透鏡或光束轉向裝置，可以創建任何我們想要的類型的模式。因為它們受到光束的控制，它們能以非常小的功率實現快速變化。」

雖然現有的超材料也能通過電特性實現控制電磁波，但新技術也可以通過電磁特性來控制電磁波。

「這允許每個圓柱結構不僅影響入射波，而且影響相鄰柱之間的相互作用，」 Padilla實驗室的研究科學家Kebin Fan說，他還是該論文的第一作者。這賦予了超材料更多的多功能性，例如控制波穿過超材料表面而不是穿過它的能力。

Padilla說：「我們更感興趣的是這項技術背後的物理基礎演示，但它確實有一些顯著的特點，使它對新設備有吸引力。」

「因為它不是由金屬製成的，所以它不會融化，這對於某些應用來說可能是個問題。」他說。「它具有亞波長控制機制，可以實現更多的自由特性和多功能性。也有可能重新配置超材料，使之可以更快速地影響入射波，這有我們的小組研究計劃，比如探索使用它實現動態全息術。」

來源：https://phys.org/news/2018-05-metal-free-metamaterial-swiftly-tuned-electromagnetic.html

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