背景

超材料（metamaterial），又稱超穎材料，一般是指通過人工設計結構實現(xiàn)，具有天然材料無法具備的超常物理特性的復合材料。舉例來說，超材料可以操控光波、聲波、電磁波等，實現(xiàn)普通材料所無法實現(xiàn)的功能。

典型的超材料包括左手材料、光子晶體、超磁性材料、金屬水等，它們時常呈現(xiàn)出“超常”的物理特性，例如：負磁導率、負介電常數(shù)、負折射率等等。

超材料是一項非常熱門且應用范圍極廣的尖端前沿技術，它的應用領域包括：光纖、醫(yī)療設備、特種航天、傳感器、基礎設施監(jiān)控、智能太陽能管理、特種罩、特種天線、聲學隱身技術、廢熱利用、太赫茲、微電子、吸波材料、全息技術等。筆者曾經(jīng)介紹過有關超材料的一些研究案例，例如：

1）美國杜克大學科研人員首次設計出由超材料制成的紅外線發(fā)射裝置，它不僅能夠顯示出迅速變化的紅外線圖案，還可以利用廢熱。此外，這種可重構的超材料將有望應用于動態(tài)的紅外線光學隱身斗篷，或者紅外線范圍內(nèi)的負折射率介質(zhì)。

2）美國加州大學圣地亞哥分校的工程師們制造出首個無需半導體的微電子設備。他們采用超材料構造出這種微型設備。通過低電壓和低功率激光器激活后，該設備的導電率會增加10倍。

3）美國加州大學洛杉磯分校的研究團隊開發(fā)出一種超材料，它可以控制高頻電磁波，例如太赫茲和紅外頻段。這項技術將使得太赫茲和紅外頻率的圖像、傳感和通信技術變得更加可信賴、低成本、簡潔、高速。

創(chuàng)新

今天，我們再來看一項有關超材料的研究成果。近日，俄羅斯國立研究型技術大學莫斯科國立鋼鐵合金學院（NUSTMISIS）超導超材料實驗室的研究團隊，在高級講師和技術科學研究候選人AlexeyBasharin的領導下，開發(fā)出一種獨特且易于制造的電介質(zhì)超材料。研究人員可以方便地利用它制造出最新的光學器件。

近期，相關研究成果發(fā)表于《Laser&PhotonicsReviews》雜志。

技術

Anapole是一種非發(fā)射的漫射器，對于電磁輻射來說是透明的。2017年，來自超導超材料實驗室的研究團隊以及他們在希臘克里特大學（Heraklion）的同事們將anapole當作一種理想的諧振器。當從外部照射時，anapole將所有的能量保持在其內(nèi)部，電磁振蕩消逝得非常慢。

超材料。m磁偶極子矩，J電流回路，T環(huán)形偶極矩。

相比于金屬超材料，電介質(zhì)超材料更具前景，因為它們在電磁輻射照射下不會發(fā)熱，從而最大程度減少了能量耗散。每種電介質(zhì)超材料甚至都可以在光學頻譜中控制它的諧振。

研究團隊的研究工作為超材料的研發(fā)指明了新方向。之前，電介質(zhì)超材料是通過復雜的電介質(zhì)（球形或者圓柱形）納米顆?；蛘叱练e各種納米層制造而成的。

然而，超導超材料實驗室的研究團隊卻展示了一種在硅或者其他電介質(zhì)薄膜上打孔制造超材料的新方法。最簡單的方法之一就是采用聚焦離子束（FIB）技術，這種聚焦的離子束可以打出達5納米大小的孔。

價值

該項目的領頭人AlexeyBasharin表示：“在實驗的理論部分，我們能夠展示出在光學頻率范圍內(nèi)，可以激發(fā)出一種特殊的anapole狀態(tài)，這非常有利于電磁場的強定位和傳感器的研究。此外，我們發(fā)現(xiàn)這些超材料能夠對于電磁波透明，采用硅的真實實驗證實了我們的技術可以極大改善了硅板的透明度，例如，用于太陽能電池。”

科學家們表示，這種新型超材料可用于硅納米光學器件和太陽能電池。這項研究實驗部分的工作目前由RAS和國際合作伙伴繼續(xù)開展。