光学芯片、电磁隐身……复旦教授展望超构表面应用前景

2023年5月27日，是复旦大学118周年校庆。“校庆种种活动，以促进科学研究为中心。”从1954年校庆前夕时任校长陈望道提出这一主张开始，在校庆期间举办科学报告会，就成为复旦的重要学术传统之一。

赓续学术传统，百年弦歌不绝。5月9日起，来自文社理工医各学科的50多位复旦名师将陆续带来学术演讲。

6月1日，“2023相辉校庆系列学术报告”第三十场，由复旦大学物理学系系主任周磊教授以“超构表面：自由操控光的平台和未来光电器件的颠覆者”为题作报告。

如何自由调控光（电磁波）既是重要基础科学问题，又对实现光在信息、能源等领域的应用有重大意义。周磊从麦克斯韦方程出发，带领听众回顾了人们利用自然材料和超构材料调控电磁波的发展历程，深入浅出地介绍了超构表面这一新型电磁波调控材料的概念、机理、及相关奇异物理现象，最后展望了超构表面的发展趋势和应用前景。

麦克斯韦方程带你进入神奇的电磁世界

天空为什么是蓝的？为什么金子是金色的？为什么孔雀的羽毛如此绚丽多姿？手机是如何传递信号的？太阳能如何被储存和利用？所有这些问题，都可以最终归为一个问题：电磁波是如何按照我们的要求传播的？

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周磊 寸菲 摄

周磊从麦克斯韦方程组出发，为大家揭示了世界如此绚丽多彩的根本原因——人类生活在充满介质环境的电磁世界中，“微波、雷达波、太赫兹光、红外光、可见光、紫外光、X射线… 都满足同样的规律，统称为电磁波，只不过它们具有不同的频率（波长）而已。”

要实现对电磁波的自由操控，就需要实现对介质材料的介电常数和磁导率的任意调控。然而，由于可供选择的原子种类及晶格排列方式有限，自然材料的电磁参数的取值范围受限（特别是高频下的磁导率），这极大制约了人们基于自然材料对光的调控能力。

从自然材料到超构材料

如何才能够实现对电磁波的自由调控呢？周磊将大家从自然材料世界带入了奇妙的超构世界。

20世纪末，人们提出了超构材料的概念，这是由亚波长人工微结构（即“人工原子”）按特定的“排列方式”构建而成的人工复合电磁材料。由于超构材料的人工原子和宏观排列方式均可按需任意设计，其具有远超自然材料的电磁调控能力，实现了负折射、超聚焦等常规材料无法实现的奇异电磁波调控效应。周磊也是在20多年前就一头钻进了超构材料这一研究领域。

报告中，周磊以基于超构材料实现负折射及隐身为例，详细介绍了其中的物理机制、实验实现及相关潜在应用。超构材料相关成果多次被Science杂志评选为“十大科技突破”之一，相关研究成为光学领域的前沿。然而，作为三维体材料呈现的第一代超构材料，面临结构复杂、损耗高、难制备、不易集成等问题，这也极大制约了超构材料的发展及应用推广。

从超构表面到广义斯涅耳定律

为了解决三维超构材料电磁调控的瓶颈性问题，周磊团队和哈佛大学研究团队相继提出了超构表面——由平面型人工原子按特定非均匀排列方式构建而成的二维超构材料——的新概念。

随后，周磊详细介绍了如何利用非均匀超构表面来颠覆斯涅耳定律——这近四百年来描述电磁波界面反射/折射行为的固有定律，以及团队如何利用超构表面实现对电磁波的偏振、波前、相位等特性的自由高效操控。这些原创性成果在理论上颠覆了人们对电磁规律的传统认知，为自由调控电磁波提供了理论和实验基础。周磊团队也因此获得2019年度国家自然科学奖二等奖。

在周磊看来，超构表面使人类实现自由调控电磁波的梦想不再遥远，超构表面对电磁波的强大调控能力有望在光学芯片、电磁隐身、能源利用和生物医疗检测等诸多领域获得广泛应用。“这个领域对年轻人来说大有可为，既可以做基础研究，又有机会服务国家重大需求。”周磊说。

当然，要实现超构表面器件的规模化应用，还面临着诸多理论和工艺上的挑战，例如如何解决超构表面器件的角度色散和频率色散问题，如何突破现有材料和加工工艺的限制从而实现大面积、柔性、多样化和低成本的高性能超构器件，如何将超构表面器件与现有光电器件相结合实现高效片上光学芯片……这些迫在眉睫的科学和技术问题，都是周磊团队所要开展的研究方向。