美國杜克大學研製出可由光動態調諧的非金屬介質超材料，可精確控制與電磁波的相互作用

美國杜克大學的研究團隊全球首次製造出可控制電磁波的非金屬、可動態調諧的超材料。該技術構成多種應用的技術基礎，從改進的安全掃描工具到新型視覺顯示器。研究成果發布在《先進材料》雜誌上。

背景信息

超材料是一種具有特定亞波長結構的人造材料，通常具有天然材料所不具備的超常物理性質，如電磁隱身、負折射率、亞波長聚焦及亞波長波導等。目前，絕大多數超材料採用金屬材料來製備，這些金屬超材料可較好的工作於微波和太赫茲波段。但在更高頻率的近紅外、特別是可見光波段，金屬會吸收過多的光線並造成顯著的能量損耗，從而限制了金屬超材料在近紅外和可見光波段的應用。

技術進展

杜克大學電子和計算機工程專家Willie Padilla說：「這些材料由獨立的單元組網構成，能夠獨立調諧。當波經過其表面時，超材料能夠控制網格中每一點的幅度和相位，使得可以多種不同的方式來控制這些波。」

每一個網格都包含一個50微米高、120微米寬的小型硅圓柱體，每個圓柱體間距170微米。研究人員在被稱為光摻雜的工藝中，使用特定頻率的光轟擊這些圓柱體，通過在圓柱體表面激發電子來在材料中注入金屬特性。

這些電子隨後引起圓柱體與通過其表面的電磁波發生反應。圓柱體的尺寸決定了哪種光頻率能夠與之發生反應，光摻雜的角度影響其如何操縱電磁波。通過有意識地調整這些細節，超材料能夠以很多不同的方式來控制電磁波。

圖為新超導材料表面技術的示意圖。光線（紅色）轟擊硅圓柱，改變其電磁特性來精確地調諧其與電磁波發生相互作用

圖為組成可調諧介質超材料的硅圓柱的顯微鏡照片

應用

根據Padilla表示，控制光線波長能夠改進衛星間的寬頻通信，或帶來能夠簡化傳統醫療掃描的安全技術。該方法可同樣用於其他電磁頻譜，僅僅更改圓柱體尺寸即可。在杜克大學開展的研究中，圓柱體尺寸被設計用來與太赫茲波進行交互。太赫茲頻段位於微波和紅外光之間。

意義

現有超材料通過其電特性控制電磁波，新的技術能夠通過其磁特性來控制電磁波。Padilla實驗室的研究科學家和論文的第一作者Kebin Fan說：「每一個圓柱體不僅影響入射波，也與相鄰的圓柱體發生相互作用。這給了超材料大量多樣性，如能夠控制越過超材料表面波（而非穿越其中）的能力。」

Padilla說：「我們證實了一個新的領域，通過調整光摻雜能夠動態控制超導表面的每一個點。我們能夠製造出想要的任何圖形，如製造出鏡片或光束控制設備。而且由於其受控於光束，只用極少功耗即可實現超快速變化。」

資金支持

美國能源部和陸軍研究實驗室（ARO）。

參考文獻

「Photo-Tunable Dielectric Huygens』Metasurfaces,」Kebin Fan, Jingdi Zhang, Xinyu Liu, Gufeng Zhang, Richard D. Averitt, and Willie J. Padilla. Advanced Materials, April 9, 2018. DOI: 10.1002/adma.201800278

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！