新的超材料将可操纵的光范围加倍

通过设计一种宽带超材料，该超材料可以将可操纵光的波长范围增加一倍以上，斯坦福大学的科学家朝着设计可在整个可见光谱范围内工作的超材料迈出了重要的一步。

所有天然材料的折射率都为正，即它们折射光的程度。但是，构成此处显示的超材料棱镜的纳米级人工“原子”被设计为显示负折射率，并使光向左倾斜。以这种不自然的方式操纵光的技术有一天可能导致隐形斗篷。

超材料的激动人心的可能性之一是工程材料具有自然界所不具备的特性，它具有以前所未有的方式控制光的潜力。这种材料的新颖光学特性可能会导致“完美的镜片”，从而可以在光学显微镜中直接观察单个蛋白质，或者反之，可以完全隐藏物体的隐形斗篷。

尽管在过去的十年中，超材料已经彻底改变了光学器件，但迄今为止，它们的性能因无法在宽带宽的光中起作用而受到限制。设计一种能在整个可见光谱范围内工作的超材料仍然是一个巨大的挑战。

现在，斯坦福大学的工程师朝着这个未来迈出了重要的一步，设计出一种宽带超材料，该材料可以将可操纵光的波长范围扩大一倍以上。

这种新材料可以表现出折射率（一种材料使光的路径倾斜的程度），远低于自然界中发现的任何一种。

“自然赋予我们的折射率库是有限的，”材料科学与工程学助理教授，SLAC国家加速器实验室的斯坦福大学材料与能源科学研究所的附属成员詹妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）说。“所有天然材料都具有正折射率。”

例如，标准条件下的空气实际上具有最低的折射率，仅徘徊在1以上的刻度上。水的折射率为1.33。钻石的约为2.4。材料的折射率越高，它从其原始路径发出的光就会扭曲得越多。

但是，如果折射率接近零或为负，则可能会发生真正有趣的物理现象。

生动描述倾斜在一杯水的吸管。如果水的折射率为负，则吸管会倒置–在水线以下从左向右倾斜的吸管似乎会向右倾斜。

为了使隐形斗篷技术能够遮挡物体，或者使完美的透镜能够抑制折射，该材料必须能够以类似的方式精确控制光路。超材料提供了这种潜力。

与天然材料的光学特性取决于组成原子的化学性质的不同，超材料是从其纳米级晶胞或“人造原子”的几何结构中得出其光学特性的。通过改变这些晶胞的几何形状，可以将超材料的折射率调整为正值，接近零值或负值。

一个障碍是任何这种材料都需要与光的电场和磁场相互作用。大多数天然材料对可见光和红外波长的光的磁场视而不见。先前的超材料努力创造了由两种成分组成的人造原子-一种与电场相互作用，另一种与磁场相互作用。这种组合方法的缺点是，惰性成分与不同颜色的光相互作用，通常很难使它们在很宽的波长范围内重叠。

正如本期《高级光学材料》的封面故事中所详细描述的那样，迪昂的研究小组（包括研究生Hadiseh Alaeian和Ashwin Atre以及博士后研究员Aitzol Garcia）着手设计一个具有其独特特征的超材料“原子”有效地与光的电和磁成分相互作用。

该小组使用称为转换光学的复杂数学方法得出了新的形状。他们从具有所需光学特性的二维平面结构开始，但是无限扩展（因此对于超材料而言，这不是一个好的“原子”）。

然后，就像制图师在创建地图时将球体转换为平面一样，该小组将二维无限结构“折叠”为三维纳米尺度的对象，从而保留了原始的光学特性。

转换后的物体的形状像一个月牙形的月亮，尖端较窄，中央较厚。超材料由周期性排列的这些纳米新月形“原子”组成。按照目前的设计，超材料在可见光和近红外光谱的多个区域中在大约250纳米的波长范围内显示负折射率。研究人员说，对其结构进行一些调整将使这种超材料在整个可见光谱中都有用。

“我们可以调整新月形的几何形状，或者缩小原子的大小，以便超材料可以覆盖从400到700纳米的整个可见光范围，” Atre说。

这种复合材料可能不会像哈利·波特那样的隐形斗篷。尽管它可能很灵活，但在极大的区域上制造超材料可能很棘手。尽管如此，作者对新材料的研究机会感到兴奋。

“超材料可能使我们能够利用光来做很多新的事情，甚至我们还不知道的事情。我什至无法想象所有的应用程序都是什么，”加西亚说。“这是一个新工具套件，可以完成以前从未做过的事情。”

出版物：Ashwin C. Atre等人，“光学频率处的宽带负折射率超材料”，Advanced Optical Materials，1：327–333；土井：10.1002 / adom.201200022

图像：斯坦福大学