1.3　信息超材料的发展简介

超材料是指一大类对外部激励具有响应的可编程材料，这种响应往往是比较快速的，并在物理特性上有明显改变。外部激励可以有多种物理机制，如温度变化、压力变化、湿度变化、电磁场变化、光强变化等。超材料的控制可以分为两种方式：整体控制和局部控制。局部控制的超材料相对更加先进，稍后再介绍。整体控制的超材料有以下4类。 [5]

（1）电控超材料：这类材料中的大部分具有电学敏感性，液晶就是其中一种常见的此类材料，由于光学显示技术的迅猛发展，液晶目前能够大规模地生产。当外界偏置电场发生改变时，液晶会重新调整内部分子的方向，产生与电压大小有关的双折射现象。因为液晶具有良好的流动性，所以可以渗透到各种超材料的结构当中，从而改变超材料的折射系数。另一种比较有名的电控超材料是石墨烯（Graphene）。

（2）磁控超材料：这种材料的优点在于外部激励不需要与材料直接接触。一种十分常用的制造方式是用外部磁场引导胶状颗粒的自我组装，即从超材料中单个纳米级别的偶极子胶状颗粒的运动，最后形成在整个材料中的偶极子颗粒的同步运动。具有磁学敏感共振特性的另一种常用材料是由微小的铁丝/铁棍构成的，它们各自具有不同的磁饱和度。

（3）光控超材料：对于一些具有光电导特性的半导体材料，如硅（Si）和砷化镓（GaAs），通过红外线照射，可以调节它们的电导率。像硅这样的材料，还可以嵌入谐振结构中，当有光照时，谐振结构的几何特性会发生改变，从而改变材料的基本谐振模态。

（4）温控超材料：不少超级分子或基底材料对温度十分敏感，温度变化会使介电常数发生改变，从而改变超材料的电磁响应特性。相变材料就是其中的一种，以比较有名的二氧化钒为例，在室温条件下，材料呈现绝缘体的特性，而当温度升高后，由于自由电子的聚集，材料呈现金属导电状态。

超材料的“超”是强调在自然界不存在或者很不容易形成的某种材料特性。以材料的介电常数和磁导率为例，通常材料与超材料的对比如图1-4所示，通常的水、玻璃等常规介质的相对介电常数和磁导率均大于0；少量磁性材料的磁导率可以为负值（介电常数仍为正值）。但此时的磁导率的绝对值都比较小；对于导电的金属，其介电常数与环境电磁波的频率有关，一般用复数表示，其中的实部表示金属对电磁波的色散，虚部表示对电磁波的吸收。当环境电磁场的频率低于等离子频率时，该金属的介电常数（实部）为负。对于通常的良导体金属，如银的等离子频率高达965 THz（波长 = 310 nm），属于紫外线波段。随着环境电磁场频率的降低，金属介电常数的虚部逐渐增大，意味着吸收更多的电磁波转化成为焦耳热（注意这里涉及的不是界面电磁学，金属材料表面不是光滑平板，无法有效反射电磁波）。等离子频率处于光波频率，与射频频段相差很大，也就是说，在射频频段，大部分电磁波会被导电金属所吸收，这种情形不利于材料对电磁波透射或反射。为了在射频频段实现有效的透射或反射，需要降低等效的等离子频率。从等离子频率的表达式中可以看出，降低电子密度能够降低等离子频率。具体的设计可以依据场平均理论。导电金属的磁导率通常都是大于0的。

介电常数和磁导率同时小于0的材料在自然界是很少有的，但可以人工产生。该人工材料常被称为“左手材料”，体现在折射现象中就是：折射光线/波束和入射光线/波束处于界面法线的同一侧，超材料的功能举例如图1-5所示。利用超材料这些“反常”的电磁特性，可以实现电磁隐身、平面聚焦等常规材料很难具备的功能。注意，这里的“人工产生”并不是在微观层面改变材料的原子/分子的组成、结构或排布的，而是通过设计和制作大量亚波长的微细结构，改变材料的等效介电常数和磁导率的。例如，采用金属线或镂空的金属结构，可以构造出介电常数为负，并且工作在射频频段的电磁波共振结构；采用开口环，即对环形感生磁场进行开口，造成电荷积累，引发磁共振，从而使磁导率为负。

超材料的发展经历了从三维超材料到二维超材料（超构表面），再到智能超材料的三个阶段，日趋走向成熟，如图1-6所示。最开始的三维超材料体系复杂、制备困难，而且存在较高的材料损耗；之后的二维超材料把设计问题聚焦到材料表面，超构表面采用平面结构，比较容易制备，材料的损耗有所降低，调控的自由度增大，形成了界面电磁学；智能超材料可以实现定制化、更灵活的数字调控。将整个超表面分成多个阵列单元，借助FPGA输出序列 调整每个单元内部二极管开关的通断，实现了对电磁波的数字可编程直接调控 [6] ，所以也称之为信息超材料。