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杜克大学研制出可通过光动态调节的电介质超材料

核心提示: 杜克大学的研究人员已经创造了第一种可控制电磁波的动态可调谐非金属超材料。这种超材料可称为多项应用的技术基础,应用范围可涵盖从改进的安全扫描仪到新型视觉显示器等。

杜克大学的研究人员已经创造了第一种可控制电磁波的动态可调谐非金属超材料。这种超材料可称为多项应用的技术基础,应用范围可涵盖从改进的安全扫描仪到新型视觉显示器等。相关的研究成果已经发表在了2018年4月9日的《先进材料》杂志上。

超材料是一种人造材料,通过其结构设计特性而不是材料本身的理化作用来操纵光波和声波。研究人员可以通过人工设计,使得这些材料具有罕见、或自然界中不存在的特性,例如吸收特定频率范围的电磁波或发生负折射能力。

杜克大学电气和计算机工程系教授威利帕迪拉表示,这种材料由独立的单元网格组成,可单独调谐。当波通过表面时,超材料可以控制网格中每个位置的振幅和相位,这可以使得人们用多种不同的方式操纵电磁波。

在这项新技术中,每个网格位置都包含一个高只有50微米、宽120微米的微小硅圆柱体,圆柱体彼此间隔170微米。虽然硅通常并不是一种导电材料,但研究人员利用一种称为光掺杂的工艺过程中,使用特定频率的光“轰击”这些微小圆柱使其表面激发出电子,从而为典型的绝缘材料注入金属特性。

这些电子引发微小圆柱体与通过其表面的电磁波相互作用。圆柱体的尺寸决定了可以与之发生相互作用的光的频率,而光掺杂时“轰击”圆柱体的角度则影响其如何操纵电磁波。通过有目的地设计这些细节,超材料可以用许多不同的方式控制电磁波。

在这项研究中,硅圆柱体的尺寸被设计成可与太赫兹波(一种介于微波波段和红外光波段之间的电磁波)相互作用。控制这种波长的光可以改善卫星之间的宽带通信,或者改进一些安全技术,实现安检衣服轻松扫描。该方法还可以通过调整圆柱体尺寸,适配其他波段电磁波,如红外或可见光。

帕迪拉表示,科研人员可以通过调整这种超材料圆柱体如何被光刻,来动态控制超材料表面每个点的变化。如此,科研人员可以制造出理想的任何图形样式,例如,可创造出光学透镜或光束牵引设备等。而且由于其受光束控制,因此只需要非常小的功耗即可实现快速变化。

虽然现有的超材料也可通过其本身的电特性来控制电磁波,但新技术还可以做到通过磁性来操控电磁波。

帕迪拉实验室的研究科学家,文章的第一作者Kebin Fan表示,每个圆柱体不仅可以影响入射波,而且还可以与相邻的圆柱体发生相互作用,这给超材料带来了更多的功能性,比如控制波在超材料表面传播(而不是穿过)的能力等。”

帕迪拉表示,他们对这项技术背后的物理基础演示更感兴趣,不过它确实有一些突出的特点,使其对新设备具有吸引力。

由于这种超材料不是由金属制成的,不会融化,这对某些应用来说可能存在问题。但这种超材料具有亚波长控制功能,可以提供更多的设计自由度和功能性,此外,通过改进这种超材料,可以使其更快速地影响入射波,目前研究团队正计划探索使用它实现动态全息摄影等。

目前该研究得到了美国能源部(DE-SC0014372)和陆军研究办公室(ARO W911NF-16-1-0361)的支持。(中国航空工业发展研究中心 陈济桁)

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责任编辑:实习编辑 臧航