杜克大学(Duke University)的研究人员建造了首个无金属、动态可调的机器人超材料用于控制电磁波。这种方法可以为从改进的安全扫描仪到新型视觉显示的各种技术奠定基础。
研究结果发表在4月9日的《先进材料》杂志上。
超材料是一种人造材料，它通过其结构特性而不是其化学性质来操纵像光和声音这样的波。研究人员可以将这些材料设计成具有罕见或不自然的特性，比如吸收特定范围的电磁波谱或向后弯曲光线的能力。
“这些材料是由可以单独调节的独立单元组成的网格，”说威利帕迪拉他是杜克大学电气和计算机工程教授。“当波穿过表面时，超材料可以控制网格中每个位置的振幅和相位，这使我们能够以许多不同的方式操纵波。”
在新技术中，每个网格位置包含一个只有50微米高，120微米宽的微小硅圆柱，圆柱之间间隔170微米。虽然硅通常不是导电材料，但研究人员在被称为光掺杂的过程中，用特定频率的光轰击圆柱体。通过激发圆柱体表面的电子，这种典型的绝缘材料具有金属性质。
这些新的自由电子使圆柱体与穿过它们的电磁波相互作用。圆柱体的大小决定了它们可以与什么频率的光相互作用，而光掺杂的角度则影响它们如何操纵电磁波。通过有意地设计这些细节，超材料可以以许多不同的方式控制电磁波。
在这项研究中，圆柱体的大小与太赫兹波相互作用-一种位于微波和红外光之间的电磁频谱。控制这种波长的光可以改善卫星之间的宽带通信，或者导致可以轻松扫描衣服的安全技术。这种方法也可以适用于电磁波谱的其他波段，如红外线或可见光，只需缩放圆柱体的大小。
帕迪拉说:“我们正在展示一个新的领域，在这个领域中，我们可以通过调整超表面的光掺杂方式来动态控制它们的每个点。”“我们可以创建任何类型的图案，例如，允许我们创建透镜或波束转向设备。因为它们是由光束控制的，所以它们可以用很少的能量变化得非常快。”
显微镜下观察由可调谐介电超材料组成的圆柱体。来源:杜克大学
虽然现有的超材料通过其电学特性来控制电磁波，但新技术也可以通过其磁性特性来控制它们。
帕迪拉实验室的研究科学家、该论文的第一作者范克斌说:“这使得每个圆柱体不仅可以影响入射波，还可以影响相邻圆柱体之间的相互作用。”“这赋予了超材料更多的通用性，比如控制波穿过超材料表面而不是穿过它的能力。”
帕迪拉说:“我们更感兴趣的是这项技术背后的基本物理演示，但它确实有几个显著的特征，使它对设备具有吸引力。”
“因为它不是由金属制成的，所以它不会融化，这对某些应用来说可能是一个问题，”他说。“它有亚波长控制，这给了你更多的自由和多功能性。也有可能重新配置超材料如何极快地影响入射波，我们的团队计划将其用于动态全息摄影。”
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