超材料是一種具有獨(dú)特性能的人工工程材料，它們被設(shè)計(jì)用于以不同于傳統(tǒng)材料的方式與電磁波相互作用。超材料最有前途的應(yīng)用之一是對(duì)光的操縱，對(duì)其行為提供前所未有的控制。

本文探討了操縱光的超材料的設(shè)計(jì)和制造，深入研究了其基本原理、最近的進(jìn)展和潛在的應(yīng)用。

什么是超材料？

傳統(tǒng)材料與光的相互作用是基于其固有的特性，如折射率和吸收，而超材料的光學(xué)特性來(lái)自其亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)安排，這些結(jié)構(gòu)安排經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，表現(xiàn)出獨(dú)特的電磁響應(yīng)，從而可以在納米尺度上精確控制光的操縱。

設(shè)計(jì)過(guò)程

其亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的幾何形狀、排列和組成決定了超材料的性質(zhì)，為了對(duì)這些材料的行為進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)，研究人員采用了先進(jìn)的模擬技術(shù)，如有限元分析（FEA）和計(jì)算電磁學(xué)。例如，超材料設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面是實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率，允許光在與傳統(tǒng)材料相反的方向上進(jìn)行操作，從而導(dǎo)致超透鏡和隱形等新型光學(xué)現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率需要對(duì)超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的工程設(shè)計(jì)，通常涉及具有獨(dú)特形狀和方向的單元電池。

制造技術(shù)

超材料設(shè)計(jì)從理論概念到有形結(jié)構(gòu)的成功轉(zhuǎn)化依賴于先進(jìn)的制造技術(shù)。科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種制造超材料的方法，每種方法都有自己的一套優(yōu)點(diǎn)和局限性。例如，光刻技術(shù)已經(jīng)適用于超材料制造工藝，該工藝涉及使用光將圖案從掩膜轉(zhuǎn)移到基板上的光敏化學(xué)光刻膠，以高精度創(chuàng)建亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜圖案。

同樣，電子束光刻提供比光刻更高的分辨率，通過(guò)聚焦電子束來(lái)選擇性地暴露抗蝕劑材料，從而創(chuàng)建復(fù)雜而詳細(xì)的超材料結(jié)構(gòu)，從而可以制造出非常精細(xì)的特征。然而，這是一個(gè)比光刻慢的過(guò)程，通常用于小規(guī)模生產(chǎn)。另一種用于大規(guī)模生產(chǎn)超材料的相對(duì)較新的、成本較低的技術(shù)是納米壓印光刻技術(shù)，該技術(shù)包括將具有所需圖案的模具壓入聚合物材料中，然后將其固化以形成最終結(jié)構(gòu)。

超材料在光操縱中的應(yīng)用

在納米尺度上控制和操縱光的能力為超材料在各個(gè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用開(kāi)辟了道路。例如，超材料有可能通過(guò)彎曲周?chē)墓馐刮矬w不可見(jiàn)。這個(gè)被稱為光學(xué)隱形的概念吸引了研究人員，并在軍事、監(jiān)視甚至醫(yī)療領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

負(fù)折射率的超材料，可以創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限的超級(jí)透鏡，允許比傳統(tǒng)透鏡更精細(xì)的成像細(xì)節(jié)，這對(duì)顯微鏡和醫(yī)學(xué)成像的進(jìn)步具有重要意義。

同樣，超材料可以設(shè)計(jì)成高精度聚焦和引導(dǎo)光，這在光束整形、電信和先進(jìn)的光學(xué)元件中都有應(yīng)用。

超材料獨(dú)特的光學(xué)特性也使它們成為增強(qiáng)傳感和檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)秀候選者?；诔牧系?a target="_blank">傳感器，可以檢測(cè)和識(shí)別極低濃度的物質(zhì)，使其在環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健中具有價(jià)值。

最新研究進(jìn)展

在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員探索了光學(xué)超材料的進(jìn)展，特別是關(guān)注用于操縱光的雙曲超材料（hmm）。雙曲型超材料表現(xiàn)出極高的各向異性和雙曲色散關(guān)系，使它們能夠支持高k模式并顯示出獨(dú)特的性能。

最近的發(fā)展包括二維雙曲超表面（hmm）的研究，以克服塊體hms的傳播損耗限制。這些hms由天然的二維雙曲材料或人工結(jié)構(gòu)組成，有望成為降低損耗靈敏度的平面光學(xué)器件。

它們重點(diǎn)研究了高分辨率光學(xué)成像、負(fù)折射和發(fā)射控制等方面的應(yīng)用進(jìn)展。大量hmm面臨的挑戰(zhàn)——如傳播損耗，正在通過(guò)創(chuàng)新方法積極解決，展示了在各種光學(xué)應(yīng)用中利用雙曲超材料潛力的持續(xù)努力。

光學(xué)計(jì)算中的超材料

在2022年的另一項(xiàng)研究中，研究人員在開(kāi)發(fā)利用超材料操縱光的全光計(jì)算平臺(tái)方面取得了重大進(jìn)展。本研究探索了利用超材料實(shí)現(xiàn)微分和積分等基本光學(xué)計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)全光人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鋪平了道路。 靜態(tài)結(jié)構(gòu)的超材料（如單層和多層），已經(jīng)被探索用于全光計(jì)算，在圖像處理和數(shù)據(jù)處理方面顯示出有希望的結(jié)果。

此外，該研究還深入探討了超表面和其他光子器件的最新進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了其在片上固態(tài)激光雷達(dá)、生物成像和大數(shù)據(jù)預(yù)處理方面的潛在應(yīng)用。盡管面臨挑戰(zhàn)，但這項(xiàng)研究標(biāo)志著利用超材料開(kāi)發(fā)全光計(jì)算的重大進(jìn)展，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)完全集成的光子“大腦”。

挑戰(zhàn)與未來(lái)方向

盡管超材料領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些挑戰(zhàn)；例如，將超材料集成到實(shí)際設(shè)備和系統(tǒng)中需要解決與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性問(wèn)題。超材料研究的未來(lái)方向包括：探索能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整其光學(xué)特性的活性和動(dòng)態(tài)超材料，從而開(kāi)發(fā)具有新型通信、成像和信號(hào)處理應(yīng)用的可重構(gòu)器件。







審核編輯：劉清