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超材料十大最新研究進(jìn)展

2019-03-14 11:17:40 作者：本網(wǎng)整理來源：西建大材料之家分享至：

什么是超材料

“超材料（Metamaterial）”指的是一些具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料。“超材料”是21世紀(jì)以來出現(xiàn)的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來自人工的特殊結(jié)構(gòu)。

超材料的設(shè)計思想是新穎的，這一思想的基礎(chǔ)是通過在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計來突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設(shè)計思想昭示人們可以在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設(shè)計和開發(fā)帶入一個嶄新的天地。

典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料” 、“金屬水”。

超材料的種類

自我修復(fù)材料

仿生塑料

伊利諾伊大學(xué)的Scott White研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當(dāng)出現(xiàn)破損時，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復(fù)最大4毫米寬的裂縫。

熱電材料

一家名為Alphabet Energy的公司開發(fā)出了一種熱點發(fā)電機，它可被直接插入普通發(fā)電機的排氣管，從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達(dá)到5-10%的能效。科學(xué)家們已經(jīng)在研究能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物。

熱電材料目前已經(jīng)開始了小規(guī)模的應(yīng)用--比如在太空飛船上--但方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管。

鈣鈦礦

除晶體硅外，鈣鈦礦也可可用來制作太陽能電池的替代材料。在2009年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉(zhuǎn)化率。到了2014年，這一數(shù)字已經(jīng)提升到了19.3%。相比傳統(tǒng)晶體硅電池超過20%的能效?？茖W(xué)家認(rèn)為，這種材料的性能依然有提升的可能。

鈣鈦礦是由特定晶體結(jié)構(gòu)所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數(shù)量的元素，用在太陽能電池當(dāng)中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，無需在清潔的房間當(dāng)中精心組裝。

氣凝膠

氣凝膠可由任意數(shù)量的物質(zhì)所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結(jié)構(gòu)也賦予其超高的強韌性。

NASA的科學(xué)家已經(jīng)在實驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。

Stanene導(dǎo)電率100%的材料

和石墨烯一樣，Stanene也是一種由單原子層所制作的材料。但由于使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無法實現(xiàn)的特性：100%的導(dǎo)電率。

Stanene在2013年由斯坦福大學(xué)張首晟教授首次進(jìn)行了理論化。預(yù)測Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實驗室所擅長的領(lǐng)域之一，根據(jù)他們的模型，Stanene是一種拓?fù)浣^緣體，也就是說，它的邊緣是導(dǎo)體，而內(nèi)部是絕緣體。這樣一來，Stanene就能在室溫下以零阻力導(dǎo)電。

光操縱材料

光操縱超材料的納米結(jié)構(gòu)能夠以特定的方式對光線進(jìn)行散射，它或許真的可以讓物體隱形。根據(jù)制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電波、和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制。

超材料最新研究進(jìn)展

國外許多國家都在發(fā)展超材料，相比于不少國家相對分散的發(fā)展模式，中國在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計劃、973計劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)介質(zhì)基超材料以及聲波負(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面，我國企業(yè)取得了多項原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機。

有調(diào)研公司預(yù)測，超材料全球市場規(guī)模在2010-2020年間將以高達(dá)41%的年復(fù)合增長率發(fā)展?？梢灶A(yù)計，隨著全球“工業(yè)4.0”進(jìn)程持續(xù)深化、“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，一個可帶動諸如高速列車、新型地面行進(jìn)裝備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領(lǐng)域的千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群正在崛起。

利用駕馭電磁波的超材料技術(shù)來建造未來世界，正在成為全球科技創(chuàng)新的又一焦點。

今天小編就匯總了，關(guān)于超材料十大最新研究進(jìn)展，希望，給正在進(jìn)行超材料研究的同學(xué)提供一些科研思路。

十大最新研究進(jìn)展

折紙超材料的拓?fù)溥\動學(xué) 新一代“無耗能電子材料”

“拓?fù)?rdquo;（topology）這一概念的引入極大地推動了凝聚態(tài)物理學(xué)的飛速發(fā)展，誕生了諸如拓?fù)浣^緣體（topological insulator）、外爾半金屬（Weyl semimetal）等新一代“無能耗”電子材料。實際上，拓?fù)涞母拍顝V泛適用于各種非電子材料，并且可用于理解各種看似無關(guān)的現(xiàn)象。最近，受“折紙”（origami）這一兒時游戲的啟發(fā)，來自康奈爾大學(xué)的Itai Cohen課題組、加州大學(xué)美熹德分校的Bin Liu、哈佛大學(xué)的JesseL. Silverberg等科研機構(gòu)的研究人員將拓?fù)鋵W(xué)原理應(yīng)用于折紙力學(xué)超材料（origami-inspired mechanical metamaterials）中，并演示如何通過剪裁折痕配置空間（crease configuration-space）的拓?fù)鋪碇笇?dǎo)其運動學(xué)機理。具體來說，他們通過簡單地改變折痕的角度，來修改配置空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并驅(qū)動折紙結(jié)構(gòu)從平穩(wěn)和不斷變形的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱W(xué)雙穩(wěn)態(tài)和剛性狀態(tài)（bistable andrigid）。此外，他們還研究了如何使用拓?fù)涿摴?jié)配置空間（disjointed configurationspace）來限制單個折疊片的局部可控變形。盡管，對折紙結(jié)構(gòu)的分析通常依賴于其本構(gòu)關(guān)系，但他們所提出的拓?fù)鋵W(xué)抽象概念可用于深入分析、理解和設(shè)計更具普適意義的超材料。該研究工作發(fā)表在最近的《Nature Physics》中。

文章鏈接：Bin Liu,Jesse L. Silverberg, Arthur A. Evans, Christian D. Santangelo, Robert J. Lang,Thomas C. Hull & Itai Cohen, Topological kinematics of origami metamaterials, Nature Physics （2018）。DOIhttps://doi.org/10.1038/s41567-018-0150-8

在任意k點具有折射率橢球面的新型超材料

在介質(zhì)中，電磁波的傳播行為是由等頻面（equifrequency surface）控制的。到目前為止，包括介質(zhì)在內(nèi)的普通材料和超材料的等頻面（橢球體或雙曲面體）總是以零k點為中心。然而，來自香港科技大學(xué)的C.T. Chan教授課題組、英國倫敦帝國理工學(xué)院的John B. Pendry教授以及蘇州大學(xué)的Bo Hou教授提出了一種新型超材料——Wire Metamaterial，它擁有以任意非零k點為中心的多個折射率橢球（index ellipsoid）。它們在動量空間中的位置取決于一套相互貫穿金屬支架（interpenetrating metallic scaffold）的連通性，而模式的群速度由結(jié)構(gòu)幾何細(xì)節(jié)決定。這種新型超材料的性質(zhì)源自于全局的可連接性（global connectivity），因此可以在諸如負(fù)折射（negative refraction）、取向依賴的耦合效應(yīng)以及無壁腔體（cavity withoutwalls）等應(yīng)用中具有寬帶性質(zhì)，并且它們與帶寬受限的普通共振超材料具有本質(zhì)上的差異。研究人員還進(jìn)行了微波實驗，來驗證該超材料體系的寬譜負(fù)群速度、取向依賴的耦合效應(yīng)。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《Nature Communications》上。

文章鏈接：Wen-Jie Chen,Bo Hou, Zhao-Qing Zhang, John B. Pendry & C. T. Chan, Metamaterials with index ellipsoids at arbitrary k-points, Nature Communications 9, Article number: 2086 （2018）。

腔量子聲學(xué)器件在多模強耦合系統(tǒng)中的研究

量子比特（qubit）不但是實現(xiàn)量子計算的基礎(chǔ)，也是研究量子力學(xué)本質(zhì)問題的有力工具。近年來，在腔量子電動力學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電路量子電動力學(xué)系統(tǒng)（circuit quantumelectrodynamics system）是一種全新的量子比特，由于在退相干時間等參數(shù)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出之前的超導(dǎo)量子比特，因此受到了極大的關(guān)注。來自科羅拉多大學(xué)Boulder分校的研究人員展示了一種電路量子電動力學(xué)系統(tǒng)的聲學(xué)類比體系，該系統(tǒng)利用聲學(xué)性質(zhì)在色散區(qū)間中實現(xiàn)了多模強耦合（strong multimode coupling），同時抑制自發(fā)輻射至非限制模式（unconfined mode）。具體而言，該聲學(xué)體系包含一個與磁通可調(diào)transmon相耦合的300μm長的聲表面波諧振器（surface acoustic wave resonator）。對于某些特定的模式，量子比特腔（qubit-cavity）耦合達(dá)到6.5 MHz，超過了腔損耗率（200 kHz）、qubit線寬（1.1 MHz）和腔自由光譜范圍（4.8 MHz），表明器件處于強耦合狀態(tài)和強多模態(tài)區(qū)域。正如對聲子自發(fā)輻射的預(yù)期，隨著量子比特從腔受限模式中解諧，可以觀察到量子比特線寬強烈地依賴于聲子的頻率；并且基于研究結(jié)果，獲得了抑制這種發(fā)射速率的工作頻率。該工作發(fā)表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：Bradley A.Moores, Lucas R. Sletten, Jeremie J. Viennot, and K.?W. Lehnert, Cavity QuantumAcoustic Device in the Multimode Strong Coupling Regime, Phys. Rev. Lett. 120,227701 – Published 30 May 2018.

二維聲子腔中的量子效應(yīng)研究

隨著體系特征尺寸的減小，相關(guān)物理機制的描述將從經(jīng)典物理變?yōu)榱孔游锢?。近年來，納米技術(shù)的進(jìn)步使得我們能夠在更小的尺度上對電子、光子、聲子的量子行為開展研究。最近，來自莫斯科物理技術(shù)學(xué)院、MISiS、莫斯科國立師范大學(xué)、倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院等機構(gòu)組成的研究團隊在聲表面波諧振器（surface acousticwave resonator）中，通過與人造超導(dǎo)原子的相互作用而產(chǎn)生的真空拉比模式分裂（Rabi mode splitting）來實現(xiàn)quantum regime。由于聲表面波器件由大量較窄的金屬條帶（metal strip）組成，因此在物理上和實驗技術(shù)上都具有具有一定的挑戰(zhàn)性。在低于20mK的極低溫度下，研究人員觀測到了透射圖譜的反交叉型特征峰，表明該體系是一個典型的兩能級系統(tǒng)，并且與理論計算保持一致。這項工作為利用聲子實現(xiàn)量子光學(xué)現(xiàn)象的類比鋪平了道路，并可用于片上量子電子學(xué)器件的應(yīng)用研究。該研究工作發(fā)表在近期的《Physical Review Letters》上。

文章鏈接：Aleksey N.Bolgar, Julia I. Zotova, Daniil D. Kirichenko, Ilia S. Besedin, Aleksander V.Semenov, Rais S. Shaikhaidarov, and Oleg V. Astafiev, Quantum Regime of a Two-Dimensional Phonon Cavity, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 – Published 31 May2018.

復(fù)雜等離子體場的寬帶與動態(tài)構(gòu)建

相干表面等離子激元極化基元（surface plasmon polariton, SPP）場的剪裁設(shè)計（tailor），為許多納米光子應(yīng)用帶來了全新的機遇。在以往的研究中，基于光斑系綜（an ensemble of spots）已經(jīng)實現(xiàn)了聚焦SPP斑點的掃描和SPP場分布的設(shè)計。然而，由于SPP通常是被高亮度、相干的激光所激發(fā)，因此相鄰光斑之間的干擾是不可避免的，并且會影響整體SPP場分布。近日，來自深圳大學(xué)的袁小聰教授、林佼教授領(lǐng)銜的研究團隊，聯(lián)合澳大利亞拉籌伯大學(xué)、皇家墨爾本理工大學(xué)和墨爾本大學(xué)的研究人員，通過考慮將相干場作為一個整體而非分立的光斑，報道了一個用以生成可剪裁二維SPP場分布的可重構(gòu)（reconfigurable）和波長無關(guān)的研究平臺。并且，這種技術(shù)可以實現(xiàn)單片SPP場相位梯度方向（即面內(nèi)能量流的方向）的動態(tài)調(diào)控；其所需的相位信息是由入射激光束攜帶的，不需要引入與波長相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)，因而可以用于各種波長的調(diào)控?；谠撗芯克悸?，可以拓展到許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域：例如，強度分布和能量流的有效控制將有可能實現(xiàn)利用等離子鑷子對金屬納米粒子的動態(tài)控制；SPP的寬帶激發(fā)能力可用于不同顏色SPP的產(chǎn)生、高速面內(nèi)通信以及大容量數(shù)據(jù)存儲。這種新方法揭示了2D相干場分布的固有約束條件，并且同樣適用于聲表面波等其他二維表面受限波動系統(tǒng)，在相關(guān)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究方面具有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《Science Advances》上。

文章鏈接：Shibiao Wei,Guangyuan Si, Michael Malek, Stuart K. Earl, Luping Du, Shan Shan Kou, XiaocongYuan, and Jiao Lin, Toward broadband, dynamic structuring of a complex plasmonic field, Science Advances 01 Jun 2018: Vol. 4, no. 6, eaao0533 DOI:10.1126/sciadv.aao0533

具有全波操作的混合共振記憶超材料

“記憶超材料”（Memory metamaterials）是一類能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁響應(yīng)持久性調(diào)制（persistent tuning）的新興人工微結(jié)構(gòu)材料，通常由人工構(gòu)成的諧振元件與自然記憶材料耦合而成，受電場、光線和熱量等外部刺激的控制。盡管目前已經(jīng)有多種自然界的記憶材料得到了應(yīng)用，但仍缺少人們對基于鐵磁材料（ferromagnetic materials）的記憶超材料研究。

近日，來自韓國西江大學(xué)Kiejin Lee領(lǐng)銜的研究小組報道了基于“超材料-鐵磁”混合共振（hybrid resonance）系統(tǒng)、在微波頻段應(yīng)用的記憶超材料。該研究驗證了混合共振能夠以輸入微波信號的頻率和振幅為調(diào)制函數(shù)，并且可以可逆地調(diào)諧（tuned reversibly）。這種持久性混合共振調(diào)諧的基本原理是磁疇結(jié)構(gòu)能夠基于微波輸入信號進(jìn)行自適應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)制。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

文章鏈接：Hanju Lee, Shant Arakelyan, Barry Friedman, Kiejin Lee, Hybrid Resonance Memory Metamaterial with Full‐Wave Operation, First published: 18 May 2018https://doi.org/10.1002/adfm.201800760.

基于納米級熱輻射的“熱二極管”

“熱整流器”（Thermal rectifier），通常也被稱為“熱二極管”（thermal diode），是一種與電子二極管熱類似、實現(xiàn)熱流非對稱傳輸?shù)臒徇壿嬈骷１M管基于熱對流效應(yīng)（convection）和熱傳導(dǎo)的熱二極管概念早已被提出，但是基于熱輻射（thermal radiation）的固態(tài)熱二極管卻很少受到關(guān)注。

最近，來自密歇根大學(xué)、德國奧登堡大學(xué)、法國泰勒斯研究與技術(shù)研究院的科研團隊向我們展示了摻雜Si與氧化釩VO2表面之間的納米級熱輻射整流效應(yīng)。具體來說，當(dāng)溫度梯度的方向發(fā)生反轉(zhuǎn)時，VO2的“金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變”能夠使Si和VO2之間熱輻射效率出現(xiàn)巨大差異，從而導(dǎo)致熱流大小因溫度梯度方向的改變而產(chǎn)生非對稱傳輸。進(jìn)一步研究表明，這種整流效應(yīng)在納米級的表面分離時會得到增強，并且在~140nm的間隙和70K溫差下達(dá)到超過50％的最大整流系數(shù)（rectification coefficient）。理論模型表明，這種高整流系數(shù)是由于金屬態(tài)的VO2與Si表面具有較寬的輻射光譜，而其與絕緣態(tài)的VO2只有較窄的輻射光譜和熱傳輸。這項工作成功證明了基于近場熱輻射效應(yīng)實現(xiàn)熱力學(xué)整流現(xiàn)象的可行性，為基于納米輻射的信息處理設(shè)備和熱管理方法的構(gòu)建點明了關(guān)鍵的方法和部件。相關(guān)研究發(fā)表在近期的《ACS Nano》上。

文章鏈接：Anthony Fiorino, Dakotah Thompson, Linxiao Zhu, Rohith Mittapally, Svend-Age Biehs, Odile Bezencenet, Nadia El-Bondry, Shailendra Bansropun, Philippe Ben-Abdallah, Edgar Meyhofer , and Pramod Reddy,A Thermal Diode Based on Nanoscale Thermal Radiation, ACS Nano, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b01645.

用于超寬帶雷達(dá)截面降低和漫散射的均勻分層編碼超材料

雷達(dá)散射截面（Radar Cross section, RCS）是雷達(dá)隱身技術(shù)中最關(guān)鍵的概念，它代表了目標(biāo)在雷達(dá)波照射下所產(chǎn)生回波強度的物理量：雷達(dá)截面積越小，雷達(dá)對目標(biāo)的信號特征就越小，探測距離也越短。為了減少結(jié)構(gòu)的RCS，人們通常在物體表面設(shè)計雷達(dá)吸收超材料（radar absorbing metamaterials）或是采用180°反相干涉，來消減反射波的強度來增強對雷達(dá)微波的吸收，然而這兩種方法都需要在較窄的帶寬內(nèi)工作。因此，近年來人們提出一種平面棋盤狀超表面結(jié)構(gòu)（planar chessboard-like metasurface）來實現(xiàn)寬帶的RCS減弱，特別是基于編碼超表面（coding metasurface）或數(shù)字超表面（digital metasurface）的概念已經(jīng)達(dá)到了較寬的工作帶寬。最近，來自中國傳媒大學(xué)的李增瑞教授課題組、內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的Yaoqing （Lamar） Yang教授、電磁散射重點實驗室的殷紅成研究員和北京交通大學(xué)的王均宏教授提出了一種新型的非均勻分層編碼超材料瓦片（metamaterial tile），可以用來實現(xiàn)超寬帶的RCS降低和電磁波漫散射（diffuse scattering）。

超材料瓦片由兩種不同層厚的方形環(huán)基元（unit cell）組成，兩個基元之間在一個超寬頻段范圍內(nèi)實現(xiàn)了180°（±37°）的反射相位差；由于基元之間的相位抵消，超材料瓦具有偏離法線方向的四個強波瓣（strong lobes）的散射圖案。超材料瓦片及其90度旋轉(zhuǎn)可以被編碼為覆蓋物體的‘0’和‘1’元素，并且可以通過優(yōu)化相位分布的手段來實現(xiàn)漫散射模式，從而實現(xiàn)單體和雙靜態(tài)RCS的同時減少。超材料瓦片在法向入射時可實現(xiàn)從6.2GHz至25.7GHz寬譜范圍內(nèi)的-10dB RCS降低，比例帶寬（ratio bandwidth）為4.15：1，該測量結(jié)果和模擬結(jié)果非常吻合，展現(xiàn)出超材料瓦片在電磁隱身和其他微波應(yīng)用的巨大潛力。該研究結(jié)果發(fā)表在最近的《Scientific Reports》上。

文章鏈接：Jianxun Su, Huan He, Zengrui Li, Yaoqing （Lamar） Yang, Hongcheng Yin & Junhong Wang, Uneven-Layered Coding Metamaterial Tile for Ultra-wideband RCS Reduction and Diffuse Scattering, Scientific Reports volume 8, Article number: 8182 （2018）。 doi:10.1038/s41598-018-26386-5.

由3D打印PETG預(yù)制棒制成的中紅外中空內(nèi)芯微結(jié)構(gòu)光纖

中紅外（Mid-infrared）光纖長期以來以其在安全、生物和化學(xué)傳感等方面的廣泛應(yīng)用，引起了科研人員的極大興趣。傳統(tǒng)意義上，這類光纖的制備研究主要集中在中紅外波段吸收率低的材料，如硫族化合物，然而這些材料往往難以控制并且通常含有高毒性元素。最近，來自英國南安普頓大學(xué)和巴西坎皮納斯州立大學(xué)的研究人員向我們演示了在中紅外波段具有光學(xué)導(dǎo)波特性的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PETG）空心光纖（HCF），通過使用商業(yè)的3D打印技術(shù)制造具有特定結(jié)構(gòu)的塑料預(yù)制棒，然后使用常規(guī)的光纖拉伸裝置進(jìn)行拉制，成功制備出外徑為466μm、中空直徑為225μm的PETG中空內(nèi)芯微結(jié)構(gòu)光纖，在3.5-5μm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了良好的光學(xué)導(dǎo)波效果。相關(guān)研究發(fā)表在最新一期的《Scientific Reports》上。

文章鏈接：Wanvisa Talataisong, Rand Ismaeel, Thiago H. R. Marques, Seyedmohammad Abokhamis Mousavi, Martynas Beresna, M. A. Gouveia, Seyed Reza Sandoghchi, Timothy Lee, Cristiano M. B. Cordeiro & Gilberto Brambilla,Mid-IR Hollow-core microstructured fiber drawn from a 3D printed PETG preform, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 8113 （2018）。 doi:10.1038/s41598-018-26561-8.

高性能超薄手性超材料

手性超材料（Chiral Metamaterial）是一種能夠基于光波或聲波的手性特征，在更大的自由度上對其進(jìn)行任意調(diào)控的超構(gòu)材料。其中，主動式的光學(xué)手性超材料將有可能應(yīng)用于新型光學(xué)傳感器、調(diào)制器和光開關(guān)等。最近，來自德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Yuebing Zheng、Mingsong Wang以及中山大學(xué)的JianwenDong研究團隊研制出一種高性能的超薄手性超材料，實現(xiàn)了對光學(xué)手性特征的高度可調(diào)。他們將兩層相同的金納米孔陣列薄膜相互堆疊并以介質(zhì)層隔開，形成二維moiré條紋，通過理論模擬和實驗證實了近場耦合對手性光的影響。更進(jìn)一步，他們使用絲素蛋白薄膜（silk fibroin）作為間隔層，通過特定溶劑對絲素蛋白薄膜的溶脹特性調(diào)控，實現(xiàn)了近場耦合以及手性光學(xué)特征的主動調(diào)節(jié)。令人印象深刻的是，在單個超薄（1/5波長厚度）結(jié)構(gòu)中即可實現(xiàn)了超過半高寬波長范圍的光譜偏移。最后，他們將該超材料作為超靈敏傳感器，應(yīng)用于檢測低至200 ppm的痕量溶劑雜質(zhì)，具有優(yōu)于105 nm/RIU的超高靈敏度以及品質(zhì)因子。

文章鏈接：Zilong Wu,Xiaodong Chen, Mingsong Wang, Jianwen Dong, and Yuebing Zheng, High-PerformanceUltrathin Active Chiral Metamaterials, ACS Nano （Article ASAP）， DOI:10.1021/acsnano.8b02566.

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責(zé)任編輯：韓鑫