相輝校慶系列學(xué)術(shù)報(bào)告：調(diào)控電磁波于股掌之間，周磊教授揭秘神奇的超構(gòu)表面

6月1日下午，慶祝建校118周年相輝校慶系列學(xué)術(shù)報(bào)告第三十場(chǎng)在相輝堂南堂舉行，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系系主任周磊教授以“超構(gòu)表面：自由操控光的平臺(tái)和未來(lái)光電器件的顛覆者”為題作報(bào)告，物理學(xué)系黨委書記劉召偉主持報(bào)告會(huì)。

如何自由調(diào)控光（電磁波）既是重要基礎(chǔ)科學(xué)問題，又對(duì)實(shí)現(xiàn)光在信息、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用有重大意義。周磊從麥克斯韋方程出發(fā)，帶領(lǐng)聽眾回顧了人們利用自然材料和超構(gòu)材料調(diào)控電磁波的發(fā)展歷程，深入淺出地介紹了超構(gòu)表面這一新型電磁波調(diào)控材料的概念、機(jī)理、及相關(guān)奇異物理現(xiàn)象，最后展望了超構(gòu)表面的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

麥克斯韋方程帶你進(jìn)入神奇的電磁世界

天空為什么是藍(lán)的？為什么金子是金色的？為什么孔雀的羽毛如此絢麗多姿？手機(jī)是如何傳遞信號(hào)的？太陽(yáng)能如何被儲(chǔ)存和利用？所有這些問題，都可以最終歸為一個(gè)問題：電磁波是如何按照我們的要求傳播的？

周磊從麥克斯韋方程組出發(fā)，為大家揭示了世界如此絢麗多彩的根本原因——我們生活在充滿了介質(zhì)環(huán)境的電磁世界中。“微波、雷達(dá)波、太赫茲光、紅外光、可見光、紫外光、x射線… 都滿足同樣的規(guī)律，統(tǒng)稱為電磁波，只不過它們具有不同的頻率（波長(zhǎng)）而已?！?/p>

要實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的自由操控，就需要實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的任意調(diào)控。然而，由于可供選擇的原子種類及晶格排列方式有限，自然材料的電磁參數(shù)的取值范圍受限（特別是高頻下的磁導(dǎo)率），這極大制約了人們基于自然材料對(duì)光的調(diào)控能力。

從自然材料到超構(gòu)材料

如何才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波的自由調(diào)控呢？周磊將大家從自然材料世界帶入了奇妙的超構(gòu)世界。

20世紀(jì)末，人們提出了超構(gòu)材料的概念，這是由亞波長(zhǎng)人工微結(jié)構(gòu)（即“人工原子”）按特定的“排列方式”構(gòu)建而成的人工復(fù)合電磁材料。由于超構(gòu)材料的人工原子和宏觀排列方式均可按需任意設(shè)計(jì)，其具有了遠(yuǎn)超自然材料的電磁調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射、超聚焦等常規(guī)材料無(wú)法實(shí)現(xiàn)的奇異電磁波調(diào)控效應(yīng)。周磊也是在20多年前就一頭鉆進(jìn)了超構(gòu)材料這一研究領(lǐng)域。

報(bào)告中，周磊以基于超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)負(fù)折射及隱身為例，詳細(xì)介紹了其中的物理機(jī)制、實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)及相關(guān)潛在應(yīng)用。超構(gòu)材料相關(guān)成果多次被science雜志評(píng)選為“十大科技突破”之一，相關(guān)研究成為光學(xué)領(lǐng)域的前沿。然而，作為三維體材料呈現(xiàn)的第一代超構(gòu)材料面臨結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗高、難制備、不易集成等問題，這也極大制約了超構(gòu)材料的發(fā)展及應(yīng)用推廣。

從超構(gòu)表面到廣義斯涅耳定律

為了解決三維超構(gòu)材料電磁調(diào)控的瓶頸性問題，周磊團(tuán)隊(duì)和哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)相繼提出了超構(gòu)表面——由平面型人工原子按特定非均勻排列方式構(gòu)建而成的二維超構(gòu)材料——的新概念。

隨后，周磊詳細(xì)介紹了如何利用非均勻超構(gòu)表面來(lái)顛覆斯涅耳定律——這近四百年來(lái)描述電磁波界面反射/折射行為的固有定律，以及團(tuán)隊(duì)如何利用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的偏振、波前、相位等特性的自由高效操控。這些原創(chuàng)性成果在理論上顛覆了人們對(duì)電磁規(guī)律的傳統(tǒng)認(rèn)知，為自由調(diào)控電磁波提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。周磊團(tuán)隊(duì)也因此獲得2019年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

超構(gòu)表面領(lǐng)域研究任重而道遠(yuǎn)

在周磊看來(lái)，超構(gòu)表面使人類實(shí)現(xiàn)自由調(diào)控電磁波的夢(mèng)想不再遙遠(yuǎn)，超構(gòu)表面對(duì)電磁波的強(qiáng)大調(diào)控能力有望在光學(xué)芯片、電磁隱身、能源利用和生物醫(yī)療檢測(cè)等諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用?！斑@個(gè)領(lǐng)域?qū)δ贻p人來(lái)說(shuō)大有可為，既可以做基礎(chǔ)研究，又有機(jī)會(huì)服務(wù)國(guó)家重大需求?！敝芾谡f(shuō)。

當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)超構(gòu)表面器件的規(guī)?；瘧?yīng)用，還面臨著諸多理論和工藝上的挑戰(zhàn)，例如如何解決超構(gòu)表面器件的角度色散和頻率色散問題，如何突破現(xiàn)有材料和加工工藝的限制從而實(shí)現(xiàn)大面積、柔性、多樣化和低成本的高性能超構(gòu)器件，如何將超構(gòu)表面器件與現(xiàn)有光電器件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高效片上光學(xué)芯片……這些迫在眉睫的科學(xué)和技術(shù)問題，都是周磊團(tuán)隊(duì)所要開展的研究方向。

主講人介紹

周磊

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授

博士生導(dǎo)師

主要研究領(lǐng)域包括微納光子學(xué)，超構(gòu)材料，等離激元學(xué)等，長(zhǎng)期從事基于超構(gòu)材料的電磁波調(diào)控的理論和實(shí)驗(yàn)研究，在包括nature materials在內(nèi)的期刊上發(fā)表論文200多篇，累計(jì)被引18000多次。2019年領(lǐng)銜榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，2019-2022年連續(xù)四年入選esi全球高被引學(xué)者。