大牛帶你閱盡超構材料——Natl.Sci.Rev.超構材料專題（特邀編輯祝世寧、張翔）

deer 5年前 (2018-04-18) 21135瀏覽

超構材料是通過設計人工功能基元和它們的空間序構構筑的新材料，它展現出許多新奇的、超常的力、熱、光、聲、電、磁等物理特性。《國家科學評論》（National Science Review, NSR）特邀南京大學的祝世寧教授、美國加州大學伯克利分校的張翔教授聯合組織了一期“Metamaterials”專題。該專題已于2018年第2期正式出版，敬請收閱。所有文章全文可以免費下載：https://academic.oup.com/nsr/issue/5/2

?1 特邀編者按：超構材料：超越自然的人工材料

先進材料的研究正推動著現代技術的發展。在不斷從大自然中尋找新材料的同時，科學家們正在研制超越自然可用性能的新型復合材料，即直接設計人工“原子”并將其排列成所需的結構而不是僅通過天然材料中的化學成分。這種新型人造材料稱為超構材料，它最早出現在光學和光子學領域。超構材料的出現，為新功能光子技術提供了更廣闊的應用前景。這項技術對我們的生活己產生了重要影響，包括用于高度集成的光子電路、環境和醫療保健傳感等。

近期，來自南京大學的祝世寧教授、美國加州大學伯克利分校的張翔教授作為特邀編輯介紹了超構材料領域的發展，希望進一步推動超構材料的研究。

祝世寧

張翔

文獻鏈接：Metamaterials: artificial materials beyond nature?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy026)

2 研究亮點：超構材料用于輻射冷卻

目前絕大多數散熱器能量轉換過程都是利用地球自身的周圍環境（溫度約為300 K），但是溫度約為3?K的宇宙無疑是更好的散熱環境。有效利用外太空低溫的特點，可以對整個能源技術產生廣泛的影響，這代表了可再生能源研究中一個重要的新興前沿。超構材料等光子結構能夠控制電磁波，這對有效利用宇宙的低溫至關重要。

來自斯坦福大學的范汕洄（Shanhui Fan）教授課題組于2013年提供了第一個能夠實現白天輻射冷卻的光子結構的理論設計，最近又在輻射冷卻方面取得新進展，證實了光子結構和超構材料能在很寬的波長范圍內（從紫外到中波紅外）控制電磁輻射。

范汕洄

文獻鏈接：Metamaterials for radiative?sky cooling?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy012)

3 觀點：微波超構材料

超構材料最早是在微波段實現的，由于微波超構材料容易制備，在該波段驗證了一系列奇妙的物理現象，并在新型天線、雷達波隱身、天線罩等方面獲得工程應用。

東南大學崔鐵軍教授介紹了微波超構材料在控制空間電磁波和表面等離激元波、調整色散特性等多方面的應用，并總結了未來微波超構材料的發展趨勢。與信息科學相結合，未來微波超構材料將不僅是等效人工材料而產生器件級的應用，而且可作為信息的實時處理系統，實現智能化應用。

崔鐵軍

文獻鏈接：Microwave metamaterials?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx133)

4 觀點：用于納米加工的超衍射透鏡

衍射極限是光學領域的世紀難題之一，長期以來制約了光學探測、光學制造等技術的發展。傳統提高光學分辨力的方法依賴于縮短波長和增大口徑，但在經典理論和技術體系下，光刻、望遠等光學系統面臨難以逾越的瓶頸。

中國科學院光電技術研究所羅先剛研究員課題組基于發現的亞波長異常Young氏干涉現象，通過恢復丟失的高頻信息，從光學系統層面突破了衍射極限，研制出系列超分辨光刻鏡頭和系統，單次曝光分辨力突破了22?nm。該技術已成功用于單光子探測器、生化傳感芯片、超表面等微納器件的批量化制造。通過自對準多重圖形技術，分辨力進一步提高到9?nm，為傳統復雜且昂貴的光學光刻系統提供了可行的替代方案。

羅先剛

文獻鏈接：Plasmonic metalens for nanofabrication?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx135)

5 觀點：熱超構材料：功能與前景

傳熱和熱力學對于發電、夜視、微電子、航空航天等現代技術具有核心意義。控制熱流的重要性與其難度相當，不僅是因為傳熱方式有多種形式，而且這些傳熱過程本質上比彈道/波浪傳輸更無序，使得控制和操縱更具挑戰性。

美國科羅拉多大學博爾德分校的李保文教授和Sophia R Sklan博士對用于控制熱傳導的熱超材料結構和理論的研究現狀和挑戰給出了獨特的評論（主要在固體中，其中傳導是主要的傳熱機制）。熱超材料主要包括兩個研究方向：1) 傳統介質的結構化，利用這些結構化介質的排列創建新的熱學設備。2) 轉換媒介理論。文章還討論了熱超材料的前景以及該領域的潛在方向。

Sophia R Sklan

文獻鏈接：Thermal metamaterials:functions and prospects?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy005)

6 觀點：超構材料輔助照明納米顯微技術

傳統的光學顯微鏡可以解決微觀世界的細節問題，但其分辨率受光波特性的限制。超分辨率顯微鏡（SRM）的使用超出Abbe極限，并以光學方式揭示納米級世界。SRM的發展不僅要求高分辨率，還需要滿足成像速度、低光毒性、成像對比度、色通道數量、簡單使用和系統成本的需求，顯然沒有單一方案能同時滿足所有需求。

結構化照明顯微鏡（SIM）已經實現了約為84 nm的分辨率以及低光毒性成像。美國加州大學圣地亞哥分校劉照偉教授等人基于超構材料的超分辨率成像，將其與SIM相結合。超構材料極大地擴展了SIM的分辨率，并且具有超越SIM的固有優勢。這種超分辨率成像技術可以概括地描述為超構材料輔助照明納米顯微技術（MAIN）。

劉照偉

文獻鏈接：Metamaterial-assisted illumination nanoscopy?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx152)

7 綜述：全介電超構光學和非線性納米光學

迄今為止制造和研究的大多數光學超構材料是金屬材料，具有明顯的損耗、發熱和整體效率低的缺點。全介電光學超構材料具有高折射率的亞波長結構基元，利用結構基元電和磁Mie共振為設計和制造具有實用功能的超構器件提供了新方法。

澳大利亞國立大學的Yuri Kivshar介紹了超構光學和亞波長介電光學的最新進展，討論了全介電超構光學領域的最新研究前沿，證明了Mie共振可以在實現人造原子的獨特功能方面發揮關鍵作用，引起超構材料和納米光學領域的新穎效應。

Yuri Kivshar

文獻鏈接：All-dielectric meta-optics and non-linear nanophotonics?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy017)

8 綜述：打破屏障：聲學功能材料的進步

聲學是一個經典研究領域，在過去的25年中具有巨大的發展。最近，由石墨烯物理學和物質的拓撲電子狀態所引導的結構設計進一步拓寬了聲學超構材料的領域。

南京大學陳延峰教授、美國麻省理工學院方絢萊（Nicholas Fang）教授和香港科技大學沈平教授等人介紹了零/負折射，亞波長成像，消聲，總吸聲，超構表面和相位工程以及聲波的單向傳播等相關發展。這些發展可能成為下一代聲學材料和設備的基礎，為聲音處理提供新方法，從而在降噪、成像、傳感和導航以及通信方面進行應用。

陳延峰

方絢萊

沈平

文獻鏈接：Breaking the barriers: advances in acoustic functional materials?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx154)

9 綜述：宇稱-時間對稱光子學

宇稱-時間(PT)對稱光子學，利用光學增益損耗材料構建了類量子非厄密本征態，進而展現了自發宇稱-時間反演對稱破缺等物理現象。量子物理學的發展為光子學提供了全新的范例，促進對整個復介電常數平面的新穎光學功能的探索。

美國賓夕法尼亞大學馮亮教授等人回顧了近期PT對稱光子學研究中的重要突破，同時系統地介紹了非厄米系統中宇稱和時間對稱的基本原理。最后討論了其在光通信和計算，生物化學傳感，成像和醫療保健設備方面的潛在應用。

Liang Feng

文獻鏈接：Parity–time symmetric photonics?(Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy011)

10 訪談：John Pendry：超構材料打破光學規律

超構材料向我們展示，自然界的規律可能并不總像它們看起來那樣固定。2006年，一種具有顯著特性的超構材料出現了，它可以用意想不到的方式操控光的路徑，使物體不可見。隨著這種戲劇性的創新，超構材料領域正式出現并得到快速發展。本文是NSR對提出“隱身斗篷”概念的帝國理工學院John Pendry教授的采訪，談到了超構材料與物理學、材料科學以及工程學相互交叉的研究歷史與誘人的前景。