大牛带你阅尽超构材料——Natl.Sci.Rev.超构材料专题（特邀编辑祝世宁、张翔）

deer 6年前 (2018-04-18) 22344浏览

超构材料是通过设计人工功能基元和它们的空间序构构筑的新材料，它展现出许多新奇的、超常的力、热、光、声、电、磁等物理特性。《国家科学评论》（National Science Review, NSR）特邀南京大学的祝世宁教授、美国加州大学伯克利分校的张翔教授联合组织了一期“Metamaterials”专题。该专题已于2018年第2期正式出版，敬请收阅。所有文章全文可以免费下载：https://academic.oup.com/nsr/issue/5/2

1 特邀编者按：超构材料：超越自然的人工材料

先进材料的研究正推动着现代技术的发展。在不断从大自然中寻找新材料的同时，科学家们正在研制超越自然可用性能的新型复合材料，即直接设计人工“原子”并将其排列成所需的结构而不是仅通过天然材料中的化学成分。这种新型人造材料称为超构材料，它最早出现在光学和光子学领域。超构材料的出现，为新功能光子技术提供了更广阔的应用前景。这项技术对我们的生活己产生了重要影响，包括用于高度集成的光子电路、环境和医疗保健传感等。

近期，来自南京大学的祝世宁教授、美国加州大学伯克利分校的张翔教授作为特邀编辑介绍了超构材料领域的发展，希望进一步推动超构材料的研究。

祝世宁

张翔

文献链接：Metamaterials: artificial materials beyond nature (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy026)

2 研究亮点：超构材料用于辐射冷却

目前绝大多数散热器能量转换过程都是利用地球自身的周围环境（温度约为300 K），但是温度约为3 K的宇宙无疑是更好的散热环境。有效利用外太空低温的特点，可以对整个能源技术产生广泛的影响，这代表了可再生能源研究中一个重要的新兴前沿。超构材料等光子结构能够控制电磁波，这对有效利用宇宙的低温至关重要。

来自斯坦福大学的范汕洄（Shanhui Fan）教授课题组于2013年提供了第一个能够实现白天辐射冷却的光子结构的理论设计，最近又在辐射冷却方面取得新进展，证实了光子结构和超构材料能在很宽的波长范围内（从紫外到中波红外）控制电磁辐射。

范汕洄

文献链接：Metamaterials for radiative sky cooling (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy012)

3 观点：微波超构材料

超构材料最早是在微波段实现的，由于微波超构材料容易制备，在该波段验证了一系列奇妙的物理现象，并在新型天线、雷达波隐身、天线罩等方面获得工程应用。

东南大学崔铁军教授介绍了微波超构材料在控制空间电磁波和表面等离激元波、调整色散特性等多方面的应用，并总结了未来微波超构材料的发展趋势。与信息科学相结合，未来微波超构材料将不仅是等效人工材料而产生器件级的应用，而且可作为信息的实时处理系统，实现智能化应用。

崔铁军

文献链接：Microwave metamaterials (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx133)

4 观点：用于纳米加工的超衍射透镜

衍射极限是光学领域的世纪难题之一，长期以来制约了光学探测、光学制造等技术的发展。传统提高光学分辨力的方法依赖于缩短波长和增大口径，但在经典理论和技术体系下，光刻、望远等光学系统面临难以逾越的瓶颈。

中国科学院光电技术研究所罗先刚研究员课题组基于发现的亚波长异常Young氏干涉现象，通过恢复丢失的高频信息，从光学系统层面突破了衍射极限，研制出系列超分辨光刻镜头和系统，单次曝光分辨力突破了22 nm。该技术已成功用于单光子探测器、生化传感芯片、超表面等微纳器件的批量化制造。通过自对准多重图形技术，分辨力进一步提高到9 nm，为传统复杂且昂贵的光学光刻系统提供了可行的替代方案。

罗先刚

文献链接：Plasmonic metalens for nanofabrication (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx135)

5 观点：热超构材料：功能与前景

传热和热力学对于发电、夜视、微电子、航空航天等现代技术具有核心意义。控制热流的重要性与其难度相当，不仅是因为传热方式有多种形式，而且这些传热过程本质上比弹道/波浪传输更无序，使得控制和操纵更具挑战性。

美国科罗拉多大学博尔德分校的李保文教授和Sophia R Sklan博士对用于控制热传导的热超材料结构和理论的研究现状和挑战给出了独特的评论（主要在固体中，其中传导是主要的传热机制）。热超材料主要包括两个研究方向：1) 传统介质的结构化，利用这些结构化介质的排列创建新的热学设备。2) 转换媒介理论。文章还讨论了热超材料的前景以及该领域的潜在方向。

Sophia R Sklan

文献链接：Thermal metamaterials:functions and prospects (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy005)

6 观点：超构材料辅助照明纳米显微技术

传统的光学显微镜可以解决微观世界的细节问题，但其分辨率受光波特性的限制。超分辨率显微镜（SRM）的使用超出Abbe极限，并以光学方式揭示纳米级世界。SRM的发展不仅要求高分辨率，还需要满足成像速度、低光毒性、成像对比度、色通道数量、简单使用和系统成本的需求，显然没有单一方案能同时满足所有需求。

结构化照明显微镜（SIM）已经实现了约为84 nm的分辨率以及低光毒性成像。美国加州大学圣地亚哥分校刘照伟教授等人基于超构材料的超分辨率成像，将其与SIM相结合。超构材料极大地扩展了SIM的分辨率，并且具有超越SIM的固有优势。这种超分辨率成像技术可以概括地描述为超构材料辅助照明纳米显微技术（MAIN）。

刘照伟

文献链接：Metamaterial-assisted illumination nanoscopy (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx152)

7 综述：全介电超构光学和非线性纳米光学

迄今为止制造和研究的大多数光学超构材料是金属材料，具有明显的损耗、发热和整体效率低的缺点。全介电光学超构材料具有高折射率的亚波长结构基元，利用结构基元电和磁Mie共振为设计和制造具有实用功能的超构器件提供了新方法。

澳大利亚国立大学的Yuri Kivshar介绍了超构光学和亚波长介电光学的最新进展，讨论了全介电超构光学领域的最新研究前沿，证明了Mie共振可以在实现人造原子的独特功能方面发挥关键作用，引起超构材料和纳米光学领域的新颖效应。

Yuri Kivshar

文献链接：All-dielectric meta-optics and non-linear nanophotonics (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy017)

8 综述：打破屏障：声学功能材料的进步

声学是一个经典研究领域，在过去的25年中具有巨大的发展。最近，由石墨烯物理学和物质的拓扑电子状态所引导的结构设计进一步拓宽了声学超构材料的领域。

南京大学陈延峰教授、美国麻省理工学院方绚莱（Nicholas Fang）教授和香港科技大学沈平教授等人介绍了零/负折射，亚波长成像，消声，总吸声，超构表面和相位工程以及声波的单向传播等相关发展。这些发展可能成为下一代声学材料和设备的基础，为声音处理提供新方法，从而在降噪、成像、传感和导航以及通信方面进行应用。

陈延峰

方绚莱

沈平

文献链接：Breaking the barriers: advances in acoustic functional materials (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwx154)

9 综述：宇称-时间对称光子学

宇称-时间(PT)对称光子学，利用光学增益损耗材料构建了类量子非厄密本征态，进而展现了自发宇称-时间反演对称破缺等物理现象。量子物理学的发展为光子学提供了全新的范例，促进对整个复介电常数平面的新颖光学功能的探索。

美国宾夕法尼亚大学冯亮教授等人回顾了近期PT对称光子学研究中的重要突破，同时系统地介绍了非厄米系统中宇称和时间对称的基本原理。最后讨论了其在光通信和计算，生物化学传感，成像和医疗保健设备方面的潜在应用。

Liang Feng

文献链接：Parity–time symmetric photonics (Natl.Sci.Rev.，2018，DOI:10.1093/nsr/nwy011)

10 访谈：John Pendry：超构材料打破光学规律

超构材料向我们展示，自然界的规律可能并不总像它们看起来那样固定。2006年，一种具有显著特性的超构材料出现了，它可以用意想不到的方式操控光的路径，使物体不可见。随着这种戏剧性的创新，超构材料领域正式出现并得到快速发展。本文是NSR对提出“隐身斗篷”概念的帝国理工学院John Pendry教授的采访，谈到了超构材料与物理学、材料科学以及工程学相互交叉的研究历史与诱人的前景。