背景

超材料（metamaterial），又稱超穎材料，一般是指通過(guò)人工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有天然材料無(wú)法具備的超常物理特性的復(fù)合材料。舉例來(lái)說(shuō)，超材料可以操控光波、聲波、電磁波等，實(shí)現(xiàn)普通材料所無(wú)法實(shí)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(shí)常呈現(xiàn)出“超常”的物理特性，例如：負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)、負(fù)折射率等等。

超材料是一項(xiàng)非常熱門且應(yīng)用范圍極廣的尖端前沿技術(shù)，它的應(yīng)用領(lǐng)域包括：光纖、醫(yī)療設(shè)備、特種航天、傳感器、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、智能太陽(yáng)能管理、特種罩、特種天線、聲學(xué)隱身技術(shù)、廢熱利用、太赫茲、微電子、吸波材料、全息技術(shù)等。筆者曾經(jīng)介紹過(guò)有關(guān)超材料的一些研究案例，例如：

1）美國(guó)杜克大學(xué)科研人員首次設(shè)計(jì)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(gòu)的超材料將有望應(yīng)用于動(dòng)態(tài)的紅外線光學(xué)隱身斗篷，或者紅外線范圍內(nèi)的負(fù)折射率介質(zhì)。

2）美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們制造出首個(gè)無(wú)需半導(dǎo)體的微電子設(shè)備。他們采用超材料構(gòu)造出這種微型設(shè)備。通過(guò)低電壓和低功率激光器激活后，該設(shè)備的導(dǎo)電率會(huì)增加10倍。

3）美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(xiàng)技術(shù)將使得太赫茲和紅外頻率的圖像、傳感和通信技術(shù)變得更加可信賴、低成本、簡(jiǎn)潔、高速。

創(chuàng)新

今天，我們?cè)賮?lái)看一項(xiàng)有關(guān)超材料的研究成果。近日，俄羅斯國(guó)立研究型技術(shù)大學(xué)莫斯科國(guó)立鋼鐵合金學(xué)院（NUSTMISIS）超導(dǎo)超材料實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)，在高級(jí)講師和技術(shù)科學(xué)研究候選人AlexeyBasharin的領(lǐng)導(dǎo)下，開(kāi)發(fā)出一種獨(dú)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(xué)器件。

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

技術(shù)

Anapole是一種非發(fā)射的漫射器，對(duì)于電磁輻射來(lái)說(shuō)是透明的。2017年，來(lái)自超導(dǎo)超材料實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)以及他們?cè)谙ＥD克里特大學(xué)（Heraklion）的同事們將anapole當(dāng)作一種理想的諧振器。當(dāng)從外部照射時(shí)，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?yàn)樗鼈冊(cè)陔姶泡椛湔丈湎虏粫?huì)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(xué)頻譜中控制它的諧振。

研究團(tuán)隊(duì)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(guò)復(fù)雜的電介質(zhì)（球形或者圓柱形）納米顆粒或者沉積各種納米層制造而成的。

然而，超導(dǎo)超材料實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)單的方法之一就是采用聚焦離子束（FIB）技術(shù)，這種聚焦的離子束可以打出達(dá)5納米大小的孔。

價(jià)值

該項(xiàng)目的領(lǐng)頭人AlexeyBasharin表示：“在實(shí)驗(yàn)的理論部分，我們能夠展示出在光學(xué)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(chǎng)的強(qiáng)定位和傳感器的研究。此外，我們發(fā)現(xiàn)這些超材料能夠?qū)τ陔姶挪ㄍ该鳎捎霉璧恼鎸?shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了我們的技術(shù)可以極大改善了硅板的透明度，例如，用于太陽(yáng)能電池。”

科學(xué)家們表示，這種新型超材料可用于硅納米光學(xué)器件和太陽(yáng)能電池。這項(xiàng)研究實(shí)驗(yàn)部分的工作目前由RAS和國(guó)際合作伙伴繼續(xù)開(kāi)展。