超构表面：自由操控光的平台和未来光电器件的颠覆者
光（电磁波）既是重要的能量和信息载体，又是人类探索物质世界规律的利器。如何自由调控光（电磁波）既是重要基础科学问题，又对实现光在信息、能源等领域的应用有重大意义。然而自然材料的电磁参数变化范围有限，对电磁波的调控能力受限。近年来，超构材料，特别是超构表面这类新型准二维人工电磁材料的出现，为人们实现对电磁波的任意操控提供了全新的物质平台。
日前，上海科技专访上海市超构表面光场调控重点实验室主任周磊教授，聚焦超构表面光场调控的基础和应用研究。上海市超构表面光场调控重点实验室依托复旦大学牵头筹建，由上海市教委推荐。实验室组建了来自物理、高分子、微电子、材料等多学科交叉研究的优秀人才团队，聚焦超构表面光场调控，立足原理和技术创新，解决超构表面光场调控的基础科学问题，推动和引领超构光学领域发展，实现从0到1的创新突破。实验室还将结合国家与地方在信息、能源、国防等领域的重大应用需求，贡献创新力量，力争将实验室打造成为微纳光学领域基础科研、技术创新与人才培养高地，成为我国光学领域中的重要战略科技力量。
从自然材料到超构表面
天空为什么是蓝的？为什么金子是金色的？为什么孔雀的羽毛如此绚丽多姿？手机是如何传递信号的？太阳能如何被储存和利用？所有这些问题，都可以最终归为一个问题：电磁波是如何按照我们的要求传播的？复杂多变的介电环境也造就了绚丽多彩的电磁波世界。
周磊从麦克斯韦方程出发，深入浅出的介绍道：要实现对电磁波的自由操控，就需要实现对介质材料的介电常数和磁导率的任意调控。然而，由于可供选择的原子种类及晶格排列方式有限，自然材料的电磁参数的取值范围受限（特别是高频下的磁导率），这极大制约了人们基于自然材料对光的调控能力。
为此，20世纪末，人们提出了超构材料的概念，这是由亚波长人工微结构（即“人工原子”）按特定的“排列方式”构建而成的人工复合电磁材料。由于超构材料的人工原子和宏观排列方式均可按需任意设计，具有了远超自然材料的电磁调控能力，实现了负折射、超聚焦等常规材料无法实现的奇异电磁波调控效应。
超构材料相关成果多次被Science杂志评选为“十大科技突破”之一，相关研究成为光学领域的前沿。周磊也是在20多年前就投身超构材料这一新兴的电磁研究领域。自2004年回国以来，为了解决三维超构材料电磁调控的瓶颈性问题，周磊团队和哈佛大学研究团队相继提出了超构表面–由平面型人工原子按特定非均匀排列方式构建而成的二维超构材料的新概念，为高效调控电磁波提供了全新的物质平台，也为实现光学器件的平面化，轻量化和高集成化提供了全新的解决方案。
超构表面对光场的“任性”调控
日常的电磁波依据其频率分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。其中，可见光是唯一一种人眼能接收到的电磁波。所有波段的电磁波都具有镜面反射性。
反射式梯度超构表面实现传播波-表面波完美耦合
“镜面反射性不难理解，就像你只有正对着镜子才能看到自己的脸。”周磊解释道，“这是因为波的入射和反射方向具有一定限制。” 超构表面，具有体系超薄、调控自由度大、损耗低、可共形制备、易集成等独特优势，团队经过多年努力研发的二维超构表面材料，就如同一张“隐身纸”，不仅能够打破这些常规限制，让传输波沿任意方向反射，甚至可以完全“吃掉”它 使其转化为不反射的表面波。
团队基于非均匀超构表面颠覆了斯涅耳定律——这近四百年来描述电磁波界面反射/折射行为的固有定律，利用体系的各向异性界面相位突变，实现了对电磁波偏振、波前、相位等特性的高效自由调控，大大拓宽了该领域的发展和应用空间。随着该成果的不断开发，向人类“将光‘玩弄’于股掌之间”梦想的实现迈出了一大步。团队发表在自然-材料 Nature Materials 11,426,2012的论文是国际上超构材料领域开创性工作之一，引用超过1600次，入选 “2012年中国光学重要成果奖”。
超构表面的基础研究到应用转化
超构表面核心思想及特有优势
从2004年开始，团队就一直围绕“利用超构表面材料高效提控电磁波”这一重大科学目标，开展理论与实验研究相结合，基础科研与应用转化相辅相成的全方面研究。2007年就率先利用超构表面的各向异性界面相位突变实现了电磁波偏振的高效任意调控。
“偏振是电磁波非常重要的特性之一。”周磊解释道：“3D电影技术就是根据偏振原理，通过横纵向偏振光波合成形成立体效果。”而超构表面能克服传统人工材料效率低、体系厚的难题，真正实现了对电磁波偏振随心所欲的调控。
随后，团队又提出利用非均匀超构表面对电磁波进行“波前调控”的新思路，建立了传输波到表面波完美耦合的新机制，并在不同波段进行了实验验证。团队还将石墨烯与超构表面相结合，利用石墨烯外加电压即改变特性的特点，实现了幅度远超以往报道的太赫兹波相位“动态调控”，为可调超构器件的实现打下了基础。为了解决超构表面调控光场时遇到的角度色散和频率色散等瓶颈性问题，团队建立了全新的理论方法，揭示超构表面角域/频域色散的物理根源，提出并实验验证了调控超构表面角域/频域色散的方法。这些成果为人们打开了角度、频率和偏振等多个自由度来实践对光场的多功能调控，极大程度上提升了超构表面对电磁波的调控能力及其在各个不同重要应用领域的应用前景。
团队实现的从“0到1”的原创性理论突破提升了中国在微纳光学领域的国际地位和影响力。周磊表示：“‘0到1’很重要，而接下去的‘1到10’这一步也非常关键。”对于电磁波的自由调控具有广泛的应用价值。在未来，通过对电磁波的自由调控，超构材料覆盖的飞机有望躲避探测雷达，实现真正的“隐身”；以光子作为信道的光芯片、提高光伏电能转化效率的装置等都有可能出现，为国防、信息及能源领域带来无限的可能性。近年来团队在应用转化方面也是成果斐然。例如，为了提升现有雷达天线系统的隐身特性与电磁兼容特性，团队基于超构表面设计制备了高性能雷达隐身天线罩，应用于海军某水面舰艇的通讯装备。
周磊领衔的“超构表面对电磁波的调控”项目荣获2019年度国家自然科学二等奖。同年，周磊也因“在超构材料上杰出而持续的贡献，特别是提出超构表面完美链接传播波和表面波的开创性成就”于2019年入选美国光学学会会士(Optica Fellow)。团队研究成果受到了国内外同行的广泛关注和好评，周磊也因此连续5年（2019-2023）入选“科睿唯安”全球高被引科学家。目前，他还担任国内光学领域第一本英文综述期刊——Photonics Insights（PI）创刊共主编和微纳光学领域知名期刊Nanophotonics 的执行主编。PI是由中国激光杂志社和SPIE共同出版的高质量、钻石级开放获取的国际期刊，入选中国科协卓越行动计划高起点期刊。2022年周磊作为项目首席科学家获得了国家自然科学基金委创新研究群体项目和国家重点研发计划物态调控专项等重大项目的支持。
科学精神 ：啃最硬的骨头，永远保持好奇心
周磊曾在无意间发现其研究方向与哈佛大学的一支团队不约而同。科学家之间的心有灵犀，令他不禁感慨。“似乎在人类历史发展中发生过很多轮回，到某个阶段之后再往前走，科技工作者们的想法往往会有一种惊人的相似性。”他由衷相信，对未知事物的敏感与好奇，是所有优秀科技工作者们得以有所作为，并坚持一步步走向梦想的共同“秘密”，对世界万物、自然规律，只有具备不断去探究其背后原理的好奇心，才能成就真正伟大的科学研究。
周磊感慨道：在过去的二十年，我国光学领域的科学家在基础研究和工程应用等方面做出了重要的贡献，但不可否认，我国在重要的、称之为“breakthrough”的突破性研究方面是缺乏的。反映在工程应用方面，我们发现，很多应用中遇到的实际问题都体现在基础问题没有解决，实际需求反过来呼唤基础研究的深入。从这一层面，我国的科学家应该去更加关注那些“从0到1”的突破性研究，投入大量人力在“从0到1”的研究中“啃最硬的骨头”，真正是从基础上改变科研范式的研究。当然要想从根本上实现技术突破，我们首先应认识到基础研究的重要性，并采用超前布局的方式解决“硬骨头”问题；避免“追热点”式的研究，自上而下、齐心协力开展技术攻关；通过改变科研范式，有针对性地加强“从0到1”的基础研究，实现开辟新领域、提出新理论和发展新方法，进而取得重大开创性的原始创新成果。此外，在多学科交叉研究以及工程技术应用落地的过程中，也常会面临诸多与基础性研究相关的实际问题，因此我们需要避免“浮光掠影”式的工作，切实解决基础性科学问题，实现将多学科交叉和工程应用落到实处。
经过十几年的发展，超构表面为人们提供了一个自由操控光的理想平台，并能够为未来光电器件的实现提供更多颠覆性的理念。可以预见，超构表面也必将在电磁隐身、光学芯片、能源利用和生物检测等诸多领域获得广泛应用。周磊这样寄语未来的青年科学家：“这个领域对年轻人来说大有可为，既可以做基础研究，又有机会服务国家重大需求。同时也期待有更多的团队能够投入这个领域，并取得更多领跑国际水平的科研成果，并实现更多的应用转化，解决相关领域的卡脖子问题”。
重点实验室是上海市科技创新体系的重要组成部分，是组织高水平科学技术研究、集聚培养优秀科技创新人才、开展高水平合作交流的创新策源基地。重点实验室的主要任务是面向国家与本市重点发展战略领域，开展基础研究、应用基础研究和前沿技术研究，获取创新成果和自主知识产权，打造创新策源和人才高地，构建具有本市特色的科技创新实验室体系。
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上海市重点实验室的“神秘面纱”
来源：上海市超构表面光场调控重点实验室
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