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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。

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图1-4 通常材料与超材料的介电常数和磁导率的对比

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。

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图1-5 超材料的功能举例

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。

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图1-6 超材料的三个发展阶段 jBMj9O95RI4AlUcp3R/pyiuBF5cpxH0lEZ4uSYDqOtyg6mz7iX9WCGabgZLp93qb

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