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  • “隐形斗篷”或成现实 厦门大学发现二维天然材料可用于隐身设计

    作者:符晓波 来源:科技日报 时间:2022-01-13 23:04 阅读:2004 [投稿]
    厦门大学物理科学与技术学院陈焕阳课题组联合Qiaoliang Bao教授在研究中发现,利用一种常见的二维天然材料三氧化钼(α-MoO₃)可取代昂贵且难以生产的超材料制造隐身器件。

    研究人员使用了一种当前热门的自然双曲材料α-MoO3,发现当把α-MoO3薄片卷在圆柱形光纤上时,在中红外电磁照明下的物体从视觉上消失了。

    研究人员解释,达到结构的法布里-珀罗共振的光能够以极小的散射通过α-MoO3隐身聚光器传播并且能量在中心处得到加强,达到隐藏电磁照明下的物体的目的,即隐身。

    陈焕阳解释:“三氧化钼把光沿着一定方向挤压进内核,相当于把光抓进了物体内,如果折射率和阻抗匹配,就感觉内核不存在,产生了隐身的效果。”

    此外,利用α-MoO3代替超材料制造的新兴隐形器件在特定光源位置还表现出错觉效应,使得我们无法通过外场判断光源的真实位置。

    该研究结果表明,双曲材料,如α-MoO3和V2O5,作为变换光学的新的材料基础,可以产生更多超越隐形聚光器的新纳米光子概念,如多频超散射、变换等离激元学等。

    “这是二维材料首次被用于变换换光学器件的设计,通常我们需要超材料,但这次要简单得多。”陈焕阳介绍,人们通常认为,实现完美的隐身效果很大程度上要依赖人造材料,这次实验的成果为天然二维材料替代超材料制造隐形器件提供了新的可能,而且相比超材料,这种材料更具有价格和制作上的优势。

    除此之外,传统的超材料具有跨尺度制备难题。比如超材料人工原子为纳米结构,需要跨尺度制备如毫米尺寸器件,其计算、设计和制备都非常困难。而真正投入应用的隐形器件例如隐身斗篷,则需要更大尺寸,制备难度可想而知。而利用二维层状材料,特别是具备光学各向异性的二维层状材料,作为类似人工超材料的基本构筑单元,可以突破这个跨尺度制备难题。

    另外,最近他们的另一个课题表明,通过引入石墨烯还可以做到动态电调控,实现多物理场的变换光学器件。调控石墨烯的电压,石墨烯和α-MoO3异质结的各向异性也可以灵活调控。

    新材料及其新特性的发现有望带来新应用

    当前,隐形材料应用市场主要集中在军事领域,而在民用领域尚未实现商业化应用。这主要因为,不同军事领域隐形材料主要针对侦查仪器隐形,而隐形材料在民用领域的研究方向主要针对肉眼隐形,研制针对视觉隐形的材料技术难点相对较高。

    研究人员表示,实验表明二维天然双曲材料具有的奇特性能够弥补超材料的各种局限,使隐形器件的制造过程更简便、更便宜,有望将隐形技术推向民用市场。

    这项研究在初步实验中取得令人满意的结果,不过仍然处于验证阶段。“各向异性和渐变是超材料的特性,也是变换光学所需要的,如果二维材料也能类似调控,将是一个非常有前景的领域。”陈焕阳介绍,另一项研究中,Qiaoliang Bao和Cheng-Wei Qiu教授课题组合作构筑的叠层结构,已经可以通过控制两片三氧化钼晶体的叠层转角,从光学上实现从椭圆色散到双曲色散的各向异性连续调控。虽然目前渐变调控还稍微困难,相信不久的将来能够攻破。

    研究人员表示,如果这些科学问题都能解决,也许可以催生一个变换等离激元学的新研究方向,对将来片上光子学芯片的集成和灵活操控,大有裨益。这些课题目前都是偏应用基础性的研究,在产业和商业化应用上还有相当长的一段路要走,但毋庸置疑,新材料及其新特性的发现一定会带来一些新的应用。

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