可用于太阳能电池和纳米光学器件的新型超材料

背景

超材料（metamaterial），又称超颖材料，一般是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。举例来说，超材料可以操控光波、声波、电磁波等，实现普通材料所无法实现的功能。

典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等，它们时常呈现出“超常”的物理特性，例如：负磁导率、负介电常数、负折射率等等。

超材料是一项非常热门且应用范围极广的尖端前沿技术，它的应用领域包括：光纤、医疗设备、特种航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、特种罩、特种天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。笔者曾经介绍过有关超材料的一些研究案例，例如：

1）美国杜克大学科研人员首次设计出由超材料制成的红外线发射装置，它不仅能够显示出迅速变化的红外线图案，还可以利用废热。此外，这种可重构的超材料将有望应用于动态的红外线光学隐身斗篷，或者红外线范围内的负折射率介质。

2）美国加州大学圣地亚哥分校的工程师们制造出首个无需半导体的微电子设备。他们采用超材料构造出这种微型设备。通过低电压和低功率激光器激活后，该设备的导电率会增加10倍。

3）美国加州大学洛杉矶分校的研究团队开发出一种超材料，它可以控制高频电磁波，例如太赫兹和红外频段。这项技术将使得太赫兹和红外频率的图像、传感和通信技术变得更加可信赖、低成本、简洁、高速。

创新

今天，我们再来看一项有关超材料的研究成果。近日，俄罗斯国立研究型技术大学莫斯科国立钢铁合金学院（NUSTMISIS）超导超材料实验室的研究团队，在高级讲师和技术科学研究候选人AlexeyBasharin的领导下，开发出一种独特且易于制造的电介质超材料。研究人员可以方便地利用它制造出最新的光学器件。

近期，相关研究成果发表于《Laser&PhotonicsReviews》杂志。

技术

Anapole是一种非发射的漫射器，对于电磁辐射来说是透明的。2017年，来自超导超材料实验室的研究团队以及他们在希腊克里特大学（Heraklion）的同事们将anapole当作一种理想的谐振器。当从外部照射时，anapole将所有的能量保持在其内部，电磁振荡消逝得非常慢。

超材料。m磁偶极子矩，J电流回路，T环形偶极矩。

相比于金属超材料，电介质超材料更具前景，因为它们在电磁辐射照射下不会发热，从而最大程度减少了能量耗散。每种电介质超材料甚至都可以在光学频谱中控制它的谐振。

研究团队的研究工作为超材料的研发指明了新方向。之前，电介质超材料是通过复杂的电介质（球形或者圆柱形）纳米颗粒或者沉积各种纳米层制造而成的。

然而，超导超材料实验室的研究团队却展示了一种在硅或者其他电介质薄膜上打孔制造超材料的新方法。最简单的方法之一就是采用聚焦离子束（FIB）技术，这种聚焦的离子束可以打出达5纳米大小的孔。

价值

该项目的领头人AlexeyBasharin表示：“在实验的理论部分，我们能够展示出在光学频率范围内，可以激发出一种特殊的anapole状态，这非常有利于电磁场的强定位和传感器的研究。此外，我们发现这些超材料能够对于电磁波透明，采用硅的真实实验证实了我们的技术可以极大改善了硅板的透明度，例如，用于太阳能电池。”

科学家们表示，这种新型超材料可用于硅纳米光学器件和太阳能电池。这项研究实验部分的工作目前由RAS和国际合作伙伴继续开展。