示意图：光线(红色)轰击硅圆柱，改变它们的电磁性能来精确地调节它们与电磁波的相互作用。 图片来自杜克大学的Kebin Fan

杜克大学的研究人员已经首次研制出了可用于控制电磁波的不含金属、动态调节的超材料。这种方法可以为从改良安全扫描仪到新型的视觉显示器等技术提供基础。研究结果发表在4月9日的《Advanced Materials》杂志上。

超材料是一种人造材料，它通过其结构而不是化学性质来操纵像光和声音这样的波。研究人员可以设计这些材料，使其具有罕见或反常的特性，比如吸收电磁光谱的特定范围或使光线反向弯曲的能力。

“这些材料是由可单独调谐的独立网格单元组成的。” 杜克大学电气和计算机工程教授Willie Padilla说，“当一个波穿过表面时，超材料可以控制网格中的每个位置的振幅和相位，这使得我们可以用很多不同的方式来控制波。”

在新技术中，每个栅格位置都包含一个直径为50微米、宽120微米的微型硅圆柱体，相邻圆柱体的间距为170微米。虽然硅通常不是一种导电材料，但研究人员用一种叫做光掺杂的方法对圆柱进行了轰击。通过激发圆柱表面的电子，赋予典型的绝缘材料以金属性质。

这些新的自由电子使圆柱与通过它们的电磁波相互作用。圆柱体的大小决定了它们能与作用的光的频率，而光掺杂的角度影响着它们如何操纵电磁波。通过有意地设计这些细节，超材料可以以许多不同的方式控制电磁波。

在这项研究中，圆柱体的大小与太赫兹波（一种介于微波和红外光之间的电磁波谱带）相互作用。控制这一波长的光可以改善卫星之间的宽频通信，或引领很容易地透过衣服扫描的安全技术。这种方法也可以适用于电磁波谱的其他波段——比如红外线或可见光——只需通过放大圆柱体的大小即可。

“我们正在展示一个新的领域，可以通过调整它们被光掺杂的方式，动态地控制超材料表面的每一个点。” Padilla 说，“我们可以创造我们想要的任何类型的样品，例如，允许我们制造镜头或波束控制装置。因为是由光束控制的，它们能用非常小的能量快速变化。”

   当现有的超材料通过它们的电特性控制电磁波时，新技术也可以通过它们的磁性特性来控制电磁波。

“这使得每一个圆柱体不仅能影响进来的波，还能影响相邻圆柱之间的相互作用，” Padilla实验室的研究科学家、论文的第一作者Kebin Fan说。“这给了超材料更多的功能，比如控制波在超材料表面传播的能力，而不是穿过它。”

“我们更感兴趣的是这项技术背后的物理原理，但它确实有一些显著的特点，使它对设备改进有贡献。” Padilla说

“因为它不是由金属制成的，不会熔化，这对某些应用来说可能是个问题。” 他说， “它有亚波长控制，给你更多的自由和功能。也可重新配置，让超材料快速影响入射波，这使得我们的小组计划利用它来进行动态全息摄影。