超材料是一種具有獨特性能的人工工程材料，它們被設計用于以不同于傳統(tǒng)材料的方式與電磁波相互作用。超材料最有前途的應用之一是對光的操縱，對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計和制造，深入研究了其基本原理、最近的進展和潛在的應用。

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，而超材料的光學特性來自其亞波長結(jié)構(gòu)安排，這些結(jié)構(gòu)安排經(jīng)過精心設計，表現(xiàn)出獨特的電磁響應，從而可以在納米尺度上精確控制光的操縱。

設計過程

其亞波長結(jié)構(gòu)的幾何形狀、排列和組成決定了超材料的性質(zhì)，為了對這些材料的行為進行建模和預測，研究人員采用了先進的模擬技術，如有限元分析（FEA）和計算電磁學。例如，超材料設計的一個關鍵方面是實現(xiàn)負折射率，允許光在與傳統(tǒng)材料相反的方向上進行操作，從而導致超透鏡和隱形等新型光學現(xiàn)象。實現(xiàn)負折射率需要對超材料結(jié)構(gòu)進行精確的工程設計，通常涉及具有獨特形狀和方向的單元電池。

制造技術

超材料設計從理論概念到有形結(jié)構(gòu)的成功轉(zhuǎn)化依賴于先進的制造技術。科學家們已經(jīng)開發(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)點和局限性。例如，光刻技術已經(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光刻膠，以高精度創(chuàng)建亞波長結(jié)構(gòu)的復雜圖案。

同樣，電子束光刻提供比光刻更高的分辨率，通過聚焦電子束來選擇性地暴露抗蝕劑材料，從而創(chuàng)建復雜而詳細的超材料結(jié)構(gòu)，從而可以制造出非常精細的特征。然而，這是一個比光刻慢的過程，通常用于小規(guī)模生產(chǎn)。另一種用于大規(guī)模生產(chǎn)超材料的相對較新的、成本較低的技術是納米壓印光刻技術，該技術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用

在納米尺度上控制和操縱光的能力為超材料在各個領域的許多應用開辟了道路。例如，超材料有可能通過彎曲周圍的光使物體不可見。這個被稱為光學隱形的概念吸引了研究人員，并在軍事、監(jiān)視甚至醫(yī)療領域得到了應用。

負折射率的超材料，可以創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)光學的衍射極限的超級透鏡，允許比傳統(tǒng)透鏡更精細的成像細節(jié)，這對顯微鏡和醫(yī)學成像的進步具有重要意義。

同樣，超材料可以設計成高精度聚焦和引導光，這在光束整形、電信和先進的光學元件中都有應用。

超材料獨特的光學特性也使它們成為增強傳感和檢測技術的優(yōu)秀候選者。基于超材料的傳感器，可以檢測和識別極低濃度的物質(zhì)，使其在環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健中具有價值。

最新研究進展

在最近的一項研究中，研究人員探索了光學超材料的進展，特別是關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系，使它們能夠支持高k模式并顯示出獨特的性能。

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器件。

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

光學計算中的超材料

在2022年的另一項研究中，研究人員在開發(fā)利用超材料操縱光的全光計算平臺方面取得了重大進展。本研究探索了利用超材料實現(xiàn)微分和積分等基本光學計算，為實現(xiàn)全光人工神經(jīng)網(wǎng)絡鋪平了道路。 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展，強調(diào)了其在片上固態(tài)激光雷達、生物成像和大數(shù)據(jù)預處理方面的潛在應用。盡管面臨挑戰(zhàn)，但這項研究標志著利用超材料開發(fā)全光計算的重大進展，重點是實現(xiàn)完全集成的光子“大腦”。

挑戰(zhàn)與未來方向

盡管超材料領域取得了顯著進展，但仍存在一些挑戰(zhàn)；例如，將超材料集成到實際設備和系統(tǒng)中需要解決與現(xiàn)有技術的兼容性問題。超材料研究的未來方向包括：探索能夠?qū)崟r調(diào)整其光學特性的活性和動態(tài)超材料，從而開發(fā)具有新型通信、成像和信號處理應用的可重構(gòu)器件。







審核編輯：劉清