超材料将推动众多领域的技术变革

周济院士

超材料推动颠覆性技术的出现

“超材料”(Metamaterial) 本身可能不算颠覆性技术，但是它的研究方法的确具有颠覆性， 是一种颠覆性的创新。它在很多领域的应用，可能会导致一些颠覆性技术的出现。

美国著名物理学家费曼曾表示，假如在某一次大灾难中所有的科学知识都被毁灭，只有一句话能够留给下一代，如何才能用最少的语言包含最多的信息？他认为，原子假说是地球文明所积累的最重要知识。

原子假说实际上是源于古希腊对世界的一种猜想。这个猜想认为，世间万物、任何一种物质的性质都决定于物质当中的某一个基本单位，这个单位被定义为“原子”。十九世纪初，英国化学家、物理学家约翰·道尔顿发现了人们现在所熟知的“原子”，他认为这个原子就是古希腊德谟克利特所提出的“原子”。

但科学发展到今天，大家发现其实这两种原子并不是一码事，因为决定物质性质的基本单元是多尺度、多层次的，有可能是原子，也有可能是分子。化学键、团簇、晶粒等各种各样尺度的单元，可能会决定一些不同物质的性质。

那么，能不能用人工方法创造一些原子，进而获得一些新的物质呢？答案是肯定的。由人工原子构成的材料被称之为“超材料”，其定义就是通过设计获得的、具有自然材料所不具备的超常物理性能的人工材料。

这种材料的性质主要来源于人工结构，而非构成其结构的材料组分。这是一个有点抽象的定义，我给大家举个例子，这也是导致超材料这一概念出现的一个非常重要的契机。

上世纪60 年代，苏联科学家韦塞拉格提出一个思想实验，他认为当某种物质同时具有负的介电常数和负的磁导率时，会出现许多非常奇怪的性质。在电磁学当中认为天经地义的“右手定则”被颠覆了，颠覆成为一种“左手关系”，此外还有很多非常新奇的新制。

不过这一思想实验在当时并没有得到很多人的关注。直到上世纪90 年代，英国的物理学家潘德瑞提出了一种设想，他认为当某一个单元——比如金属单元可能会与电磁波发生响应， 它产生谐振后会在谐振频率附近发生响应。而这个响应非常类似于负单元尺度的介电常数，同样地，这一谐振可能会产生一个负的磁导率。

那么，能不能利用这样的单元作为原子构造一种新的材料？2000 年，美国物理学家斯密斯的课题组做了一个非常简单的实验，把金属线和金属环放在一起在一定频段、谐振频段的电磁波下直接观测到负的折射率。

这个工作非常简单，但是它给人们的震撼是极其强大的。因为我们就可以通过利用人工设计单元做出“物质”。这个“物质”是带引号的， 可能会获得自然界中完全没有的性质。

借助于类似的想法，有人提出来完全隐身的设计。这一隐身衣类似于《哈利波特》中的隐身衣，小孩穿上后就能隐身，只露出他的头，这种设计在很多领域都是非常有用的。

这种左手材料衍生出的电磁超材料，可以打破光学中的衍射极限，通过光学显微镜能看到远远低于波长的一些成像，这个意义就非常重大。光学显微镜可以看到纳米尺度、原子尺度，也可以看到细胞的运动。

光刻机的技术也会变得非常简单，用可见光就可以刻出想要的一个纳米或者两个纳米的结构， 也能将镜头做得像纸一样薄，可以实现各种各样的光学响应，波长变得无穷大、相速度变得无穷小， 器件也能做得非常小。一些光学器件就可以实现器件的小型化，也可以实现各种光计算。

最近有观点提出，利用超材料可以实现类量子计算，可以用宏观的光学手段模拟量子的一些性能。如果能实现，我认为就没有必要做成那种非常麻烦的量子计算，可以有一些非常接地气的应用。人造半导体跟我们熟知的半导体完全不一样，它完全靠金属之间的电子隧穿作为带隙，调控起来就非常容易，只要调控距离就可以了。

在电磁超材料的基础上，研究人员后来又用类推的方法做出了各种各样的声学超材料。比如让声波只延着一个方向传播，热学也可以调控各种热流。目前还出现了为数众多、各种各样的力学性质超材料，比如负泊松比拉胀材料、负热膨胀材料等。

超材料的突破具有深远意义

超材料是一项具有深远意义的科学突破，它带来了一种全新的构造方式，能通过人工结构单元实现各种功能，由此产生很多非常超常的物理性质。在很多领域中的应用都有可能诱发出颠覆性技术，因此获得国际上的广泛关注。

实际上超材料更重要的是提供了一种材料构造的范式，常规材料是先把结构做出来，再去研究材料的性质。但超材料是反过来的，它是一种逆向的按需设计，有可能打破自然材料的极限。

如果站在材料学的角度看，超材料和常规的材料体系、构造方法都完全不同，它们各自的优缺点也泾渭分明。比如常规材料来源于自然，所以比较容易获得，但是设计、剪裁却并不容易；超材料则比较容易设计和剪裁，但是不容易合成。

我们团队近年提出一个思路，即通过超材料和常规材料的融合，来构造一些新的功能材料。在这两个方面我们取得了一些进展，一方面将常规材料引入超材料，另一方面用超材料的方法制作传统意义上的常规材料，但它已不再是完全的常规材料。

如一个例子就是电磁超材料、左手材料等。我们提出了一个想法，把一些非金属材料、功能材料引入进去，可以大幅度降低材料的损耗，并且使其结构变得非常简单。这一工作后来开辟出电磁超材料的一个新的分支，我们称之为介质超材料。它的副产品是有功能的无机材料，可能会实现超材料的调控，所以可调超材料也应运而生。

另一方面我们用超材料的方法构筑常规材料。比如常规材料中有一种大家都在寻找的负热膨胀率材料。这种材料在自然界中有，但是很少， 而且负热膨胀率非常低。我们用一种结构单元做成负热膨胀材料，该材料的负热膨胀率可以大幅度提高。

另外一种材料如微波介电材料，在自然材料中有能调的，但是能调的幅度特别低，需要加很高的电场。而我们用超材料就非常容易，可以大幅度地调，调起来也非常容易。

此外，寻找非线性光学材料是非常浩大的工程，因为原理太复杂很难去设计。如果用超材料就可以将其中的机制清楚描述出来，这样可以做出很多的人工非线性光学材料。

做了上述工作后我们胆子也大了，想做些真正能带来深刻改变的研究，比如信息技术里摩尔定律的失效问题、能源技术当中光电转换效率提高问题等。

上世纪50 年代人们提出用光来调控电，但是到现在为止，光只能作为载体。从物理手段看， 真正用光去调制光的只有非线性光学这一手段。而非线性光学是一个强光光学，光把材料本身的性质改变了，才能够实现这种全能调控。这时候就需要很强的光，也需要一个相对长的持续时间， 因此速度上不去。开关的功率非常高，因此弄了差不多六十多年的非线性光学，但是真正还没有用到全光开关上。

我们就提出一种新的方式，不改变材料而是改变超材料的性质。超材料具有谐振性质，用光来调控谐振性质就很容易。我们之前也做了一些可行性的研究，目前这一工作还在进行当中。这种新方式的开关阈值比非线性光学低3 个量级， 而开关速度则高出3 个量级。如果这一研究能够实现，全光开关的问题就迎刃而解了。

光电转换也是大家非常关注的话题。目前所有的光电转换技术都是光伏技术，就是光辐射到半导体中产生光生载流子，再把光生载流子分开， 这是一种复杂的物理过程和器件。

光本身就是电磁波，那么我们就设想，能不能把电磁波的电场和磁场提出来让它驱动电子运动呢？最初想通过一个光子天线来驱动光， 从低能到高能，但后来发现这在物理领域中不可能实现。

后来我们就用上了磁场，在电场谐振的基本单元中，同时考虑电场和磁场。我们进而就发现了一个非常有意思的现象，就是当电场和磁场同时作用在这个单元时，它在谐振单元里产生的洛伦兹力朝着同一个方向——这是一个非常具有震撼力的发现。因为电磁波理论已经发现了160 多年，我们当时也很奇怪，怎么没有人发现这一现象呢？这说明电磁波本身是对称性破缺的。

经过仔细翻查文献，我们发现，著名物理学家高锟的导师巴洛教授在60 年前就发现了这一现象，但是没有人去关注，后来的研究者都没有引用他的文章。

原因是什么呢？因为这一现象本身特别弱， 磁场在中间产生的影响非常小，而我们可以通过一个结构把磁场增强，这样就得到了一个电场的磁场偶合，被称为“超分子”。

利用超分子可以实现光直接变成电流的现象，当然我们现在做的还处于原理阶段，材料加工方面还有一些问题。如果跟光伏效应相比较， 的确有一些优势，比如直接光电转换、频率可以设计，结构也很简单。

但存在的主要问题是，要做成在光频下有响应，对纳米加工技术而言是非常大的挑战。还有人问过我，这个器件到底能不能比光伏机电效率高？我暂时说不出来，因为它是一个非线性的过程，效率依赖于光的强度。

超材料是一种全新的材料构造方法，为新型功能材料的设计提供了广阔的空间。我们可以在不违背物理学基本规律的前提下，通过人工获得与自然物质具有迥然不同的超常物理性质的一些“新物质”。这种新材料，可能会带来众多领域的技术变革，值得密切关注和期待。