91儀器信息與自然界中已有的傳統(tǒng)材料相比，超材料(Metamaterials)是一種可人工設(shè)計(jì)、賦予奇異功能的材料，它能打破某些表觀自然規(guī)律的限制，實(shí)現(xiàn)如負(fù)折射、隱身、超衍射等物理現(xiàn)象或功能。超材料最早應(yīng)用于微波波段，然而對(duì)于高頻波段應(yīng)用，特別是如何利用超材料實(shí)現(xiàn)高效、寬頻段、多維度的光場(chǎng)調(diào)控，依舊面臨挑戰(zhàn)。
 　　在前期研究中，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生胡莎、杜碩和研究員顧長(zhǎng)志與微加工實(shí)驗(yàn)室主任工程師李俊杰等科研人員合作，建立并完善了一種基于金屬-氧化物納米盤堆疊的超材料設(shè)計(jì)及加工方法，該構(gòu)型的色散曲線呈現(xiàn)雙曲特點(diǎn)，在可見(jiàn)、近紅外等高頻波段范圍內(nèi)具有寬帶非共振、高有效折射率等優(yōu)點(diǎn)。科研人員設(shè)計(jì)并制備了一種ZnO-Au堆疊的圓臺(tái)型多層超材料，實(shí)現(xiàn)了寬波段、廣角且入射偏振不敏感的完美吸收。通過(guò)電子束曝光和離子束刻蝕相結(jié)合加工出的這種雙曲超材料，高吸收率可達(dá)93.4%，且在2.5 μm-4.35μm寬波段范圍內(nèi)具有高于70%的吸收率(The Journal of Physical Chemistry C，123(2019)13846，Cover Story)。
 　　最近，科研人員基于雙曲超材料在可見(jiàn)波段多維度光學(xué)調(diào)控的設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了突破。對(duì)于Ag和ZnO納米片堆疊的雙曲超材料，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，模擬了一種可見(jiàn)波段的多維度可切換圖像存儲(chǔ)功能，并且通過(guò)三維級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)出多維度圓偏振光束分離器。一方面，通過(guò)選擇具有不同偏振轉(zhuǎn)化性能的雙曲納米結(jié)構(gòu)單元，獲得了具有“01”“10”“11”“00”狀態(tài)的像素點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，仿真了一種波長(zhǎng)和偏振雙維度復(fù)用的可切換多圖像顯示。另一方面，通過(guò)對(duì)具有寬波段半波片功能的雙曲結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行幾何相位排布，設(shè)計(jì)了寬波段的圓偏振分束器，并引入濾波器超表面與之集成，實(shí)現(xiàn)了空間和頻域兩個(gè)自由度的光束分離。這種集成光學(xué)器件兼具圓偏振轉(zhuǎn)換與“三棱鏡”的功能，且可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)波段的單波長(zhǎng)四分之一波片功能，具有高效且寬波段的圓偏振轉(zhuǎn)換及幾何相位調(diào)控功能，為未來(lái)多功能光學(xué)器件的設(shè)計(jì)與集成奠定了基礎(chǔ)。
 　　相關(guān)研究成果在線發(fā)表在Nano Letters 上。研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中科院的資助。