和哈佛大PK,復旦科學家打造的這種“隱身紙”,居然可以吃掉電磁波

科壇春秋吳苡婷2018-03-26 03:13:48

(本文首發於上海科技報)


我們知道日常的電磁波分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。人眼可接收到的電磁波,稱為可見光。電磁波的穿透力很強,也有鏡面反射性。



但是復旦大學物理系教授科研團隊經過多年的努力,打造出了一種,它“吃掉”電磁波,有可能讓物體無法進入雷達的視野,還可以利用這種神奇的材料隨心所欲調控電磁波的運行的方式,既能讓其穿透、還能讓其轉變傳播角度。而這些性能有望為國防、信息通訊、集成電路、新能源、生物醫藥等領域帶來變革式的發展。日前該項目獲得上海市自然科學獎一等獎。



與哈佛大學幾乎同行的科研探索


自由地調控光(電磁波)是人類的夢想,但是自然材料對電磁波的調控能力非常有限。為了解決這一難題,人們提出了人工超材料的概念,它可以逐步實現自然材料無法企及的諸如負折射、超聚焦、電磁隱身等奇異物理現象,超材料研究曾被《科學》雜誌評為本世紀前10年的10大科技突破之一。周磊敏鋭地感受到了這一領域的巨大潛力,他的科研團隊投入到了這一領域的研究中,嘗試利用超表面去解決這一關鍵問題,他們集中開展了“波前調控”“調控”“傳輸調控”的三大類研究工作,一共發表核心論文20篇,大大提升了中國在這個學術領域的國際地位和影響力。



讓周磊既驕傲又遺憾的是,在雙方不知情的情況下,他們與哈佛大學同時間在進行超表面方面的研究。但可惜的是對方在《Science》雜誌上發表首篇論文的時間比周磊科研團隊在2012年《Nature Materials》發表論文的時間早了半年時間。



“但是當時我們在幾點上比他們做的更加深入,他們當時在紅外波段實驗驗證了非鏡面反射及異常折射,而我們不僅將非鏡面反射的效率大大提高,更提出並實現了傳播波到表面波耦合的新思想。”周磊説。


這是一個應用空間廣泛的全新領域


在周磊眼裏,這個研究帶來的將是一個個魔幻般的場景。“飛機上貼這種材料,雷達打過來,電磁波完全被材料導引為表面波從而不被反射,這為隱身提供了新思路;過去我們聚焦電磁波需要凹面鏡,現在薄薄一張紙厚的平面就可以實現電磁波的點聚焦,可以大大降低製造成本。光伏電能的使用是該研究的另一可能應用領域,以往太陽能光伏發電有一個軟肋,就是一旦導電就太陽光就會被反射出去,導致光能轉為電能的效率大大降低,但是這個神奇的超材料“紙面”有望幫助人們解決這一難題,讓光能轉換電能效率得到提升。”



而未來這些新原理在光芯片中也有望找到重要應用。一塊小小的硅片上集合多種電子元器件的芯片,承擔着運算、存儲和控制的功能。它的使用幾乎涵蓋所有電子設備。然而,與光路相比,集成電路的這些本事卻顯得有些不值一提,光路處理速度是電處理速度的1000倍。周磊説,他們發現超表面可以將三維空間的電磁波高效轉化為二維空間電磁波,通過設計可以讓電磁波按照一定的軌跡在二維平面上運行,這些突破性原理為未來光芯片的設計提供了有力技術支撐。



令人激動的是,周磊的科研團隊和復旦物理系張遠波教授的科研團隊合作,將石墨烯的可調功能與超表面相結合,實現了對電磁波的動態調控。周磊告訴記者,這樣的性能可以讓該技術的使用領域拓寬。


期待後端應用領域的研究拓展


在自主裝備製造領域,這種人工超材料也有重要的應用價值。周磊舉例説,我們看到的立體電影,與透射光的偏振有關,造成了觀眾眼睛的錯覺。電磁波是橫波,電場的振動方向在與光波前進方向垂直的平面內。電磁波有很多振動的方式。而他們研發的人工超材料,已經在實驗中實現了交叉線偏振、橢圓偏振、圓偏振的自由轉化,偏振轉化效率可以達到100%。周磊説,這樣的偏振轉換可以應用在電磁波的任意波段,克服傳統偏振器過去的技術侷限性。



“作為物理系的科研團隊,我們在前方攻城拔寨,克服人工超材料的基礎性科研難題,但是後端的應用還需要各個領域科學家和相關產業中企業家的共同努力,希望大家積極參與進來,有一天把實驗室的魔幻場景變成現實!”周磊滿懷憧憬。




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