氧化钼 2023 年超材料学科突破性进展盘点及未来发展展望

本文综述了2023年超材料在应用拓展、新材料研发、制造技术突破、可持续发展、国际合作等方面取得的突破。在光学超材料领域，光损耗控制、制备方法、新功能拓展等加速了光学超材料的发展；在热功能超材料领域，具有非互易热辐射特性的热超材料研究取得新进展；在力学超材料领域，从普适功能表征到新结构、新机制、新功能、新方法的探索都有了新的突破；作为超材料家族的新成员，基于新物理概念的量子时变超材料也取得了进展。此外，在基于二维材料的超表面、可重构超材料表面等超材料与常规材料的融合逐渐成为研究热点。 未来超材料应着力实现产业应用，突破技术研究壁垒，抓住人工智能技术提供的新机遇，挖掘新物理体系构建、与常规材料融合发展的潜力。

世纪之交酝酿的第四次科技革命，催生了一系列新思想、新概念、新原理和新技术，正在成为改变人类文明的新动力。其中一项重要成果就是超材料。超材料是世纪之交出现的一类新型人造材料，它不仅提供了一种新的材料构筑方法，还为诸多技术领域提供了变革性技术。超材料提供了一种新的材料构筑方法——通过设计人工功能单元，在不违背物理基本定律的情况下，得到性质与天然材料截然不同的“新材料”，从而为诸多技术领域提供了变革性技术。2023年，超材料概念诞生已近四分之一个世纪。回顾2023年超材料领域的发展，有进展，有突破，但总体上不尽人意：热点多，但里程碑式的突破不多；研究涉及的新概念多，但相比较而言，新功能少； 超材料研究成果众多，但新原理、新机制的进展较少；顶级期刊论文不少，但灵光闪现的原始创新成果相对较少，这里我们仅回顾一下超材料领域一些比较抢眼的热点工作。

光学超材料

自超材料概念提出以来，光学超材料一直是最受关注的研究领域，但光学超材料的损耗和加工问题始终困扰着该类超材料的发展。近年来，随着电子技术摩尔定律接近天花板，光子信息技术受到越来越多的关注，而光学超材料和超表面凭借其强大的调控光的能力，被看好成为光子技术的理想材料平台。2023年，光学超材料领域的研究人员在光学损耗控制、制备方法、新功能扩展等方面进行了一些有意义的探索。

光学损耗一直是困扰光学超材料器件化的关键问题。针对这些问题，关某等提出了多频率组合复频波诱导超透镜成像的理论机制，并通过虚拟增益抵消本征损耗，成功将超透镜成像分辨率提升约一个数量级（图1）。该研究引入了合成复频波（CFW）的概念，实现了波的同时振荡和放大，以抵消叠加成像中的光学损耗，从而为成像过程提供“助推（效应）”，抵消通常困扰超透镜运行的光学损耗。该研究利用双曲超材料和偏振超材料制成的超透镜进行了实验，取得了相对理想的成像效果。该项研究工作表明，通过组合在各种真实频率下拍摄的图像，可以在复频下构建更清晰、分辨率更高的图像。

图1 基于合成复频波超透镜的光损耗补偿示意图

光学超材料领域另一项引人瞩目的工作是极紫外超材料的实现。张建军等利用硅薄膜中精心设计的孔阵列超表面，基于“真空引导”将接近衍射极限的超快极紫外脉冲聚焦，首次实现了极紫外超透镜（图2）。研究人员利用硅材料与孔之间的高折射率对比度，对波长约50nm的光进行有效的真空引导，并通过孔径在纳米尺度上调控透射相位。在此基础上制备了焦距为10mm的极紫外超透镜，将高次谐波产生的超短极紫外光脉冲聚焦至0.7μm。该工作成功拓展了透射光学材料的光谱范围。

图2 极紫外超透镜设计

在光学超材料规模化制备方面，Kim等报道了利用深紫外氟化氩浸没光刻技术和晶圆级纳米压印光刻技术，实现了大口径可见光超透镜的低成本、高通量规模化生产。通过压印12″母模，并采用镀膜工艺制备高折射率薄膜，制成了数百厘米的超透镜。由于光限制效应增强，提高了转换效率。利用印刷超透镜制造了超薄虚拟现实设备，可以拓展超光子器件的制造范围。

在全光控制方面，等展示了基于非线性周期超表面的上转换全光路由，通过调谐两束泵浦光之间的相对相位和偏振以及泵浦脉冲与其倍频模之间的相互作用，同时设计超表面单元尺寸及其间距的非线性发射，获得了90%的调制效率，将上转换信号在超表面的衍射级之间路由（图3）。

图3 基于介电超表面和上转换的全光路由

在计算光学超材料领域氧化钼，等人提出了基于超薄硅超表面的模拟计算平台。利用自由空间可见光辐射求解第二类积分方程，通过逆向设计硅基Si超尺度器实现了与预设数学问题对应的散射矩阵的合成。在样品中掺入半透明镜以提供足够的反馈，以在模拟域中以光速执行所需的级数并求解相应的方程。这种可见光波长的操作使高度紧凑的超薄设备可以在自由空间中进行询问，展示了高处理速度、低能耗和片上集成的模拟计算的可能性。

在光信息存储领域，熊志军等发展了一种适用于大容量光学显示、信息加密、数据存储等诸多应用的信息存储超表面技术。他们通过理论推导并实验证实，利用单个超表面成功获得了多达11个独立的偏振通道，该超表面在不同偏振的单色可见光照射下可观察到11幅独立的全息图像。通过引入光学响应噪声调控，突破了光学超表面偏振复用的容量限制，提高了存储容量。其原理如图4所示。通过设计包含多个共振单元的二维纳米结构，可以独立调控相应琼斯矩阵的对角线和非对角线元素，实现传统设计中的三个独立的偏振通道。进一步引入强度可调的非相关噪声，削弱甚至消除信号串扰（图4（c）），最终实现多通道偏振复用超表面（图4（d））。

图4 信息存储超表面设计原理示意图

热功能超材料

在热功能超材料中，基于超材料的辐射冷却技术近年来备受关注。超材料因其高度可设计的辐射特性为辐射冷却提供了理想的高性能材料。2023 年的热门话题是具有非互易热辐射特性的热超材料。

热辐射通常服从互易性，即对于给定的波长和角度通道，物体吸收和发射的辐射相等。为了克服基尔霍夫定律的局限性，人们开辟了许多热发射器的应用和设计。吸收率和发射率关系的解耦可用于实现新的功能。等人报道了InAs衬底加介质光栅结构的非互易吸收/发射特性。在磁光材料砷化铟InAs中（图5），当正常的对角介电常数张量被校正为非对角介电常数张量的面内磁场时，发射率和吸收率之间出现不等式，从而打破了热辐射的基尔霍夫定律。

图5 砷化铟导电薄膜的谐振结构打破了基尔霍夫热辐射定律。

非线性是实现非互易辐射的另一种方式。杨文斌等报道了一种基于非磁性、硅热光非线性的超薄光学超表面对自由空间辐射的非互易响应。该超表面结合平面外不对称和平面内破缺对称性精细调节连续域准束缚态的辐射线宽，并通过连续域准束缚态所涉及的三阶热光非线性实现10dB以上的非互易透射和小于3dB的插入损耗（图6）。数值计算表明，非互易响应的建立和弛豫时间可以接近亚微秒级，仅受热耗散限制。该实验演示装置将非互易领域与超薄超表面技术相结合，有助于高功率激光腔的信号处理与路由、通信的保护。

图6 基于硅热光非线性的超薄光学超表面对自由空间辐射的非互易响应

机械（机械）超材料

机械（力学）超材料不仅功能广泛，而且有多种人工结构单元可供选择，近年来一直是活跃的研究领域，2023年在普适性能表征和新结构、新机制、新功能、新方法探索等方面取得了一定进展。

机械超材料可以针对频率相关特性进行设计和定制，使其可用于各种场景，例如轻量级抗冲击、声波导或减振。然而，由于吞吐量低、有损表征以及缺乏现成的测试方法，在小规模上获取其动态特性仍然是一项挑战。Kai 等人报告了一种高通量非接触式框架，该框架利用超材料内的 MHz 波传播特性来非破坏性地提取动态线性特性、全向弹性信息、阻尼特性和缺陷量化。可以通过振动响应中的频率变化来识别超材料中的不可见缺陷（图 7），这项工作提供了一种加速数据驱动的机械超材料发现的方法。

图 7. 超材料中非接触式激光诱导的弹性波激发和检测。

在新原理方面，郭等人将弹性理论扩展到无方向序参量束，提出了一种新的拓扑序形式——无方向序。研究发现，无方向平衡态广泛退化的主要原因是拓扑保护节点和线的任意位置，其中序参量必须为0（图8）。无方向序更广泛适用于本身无方向性的物体，例如弯曲的莫比乌斯带和克莱因瓶。将时间相关的局部扰动施加到具有无方向序的超材料上，设计拓扑保护的机械记忆，实现非交换响应，这些超材料承载载荷轨道编织。

图8 受挫诱导的无方向性有序力学超材料

在新结构和方法方面，等报道了一种基于机械多稳态的折纸超材料形状变形策略，可以克服由于策略性预先图案化而导致的缺乏内在形状选择和持续激励导致的形状不稳定的局限性。在波状可变形片状折纸超材料上，机械刺激记忆以自稳定的折痕图案存储，使得在外界刺激移除后，折痕会持续存在并迫使折纸超材料转变成预定的弯曲、卷曲和扭曲形状（图9）。适当的外力也可以抹去这些稳定的形状记忆，从而实现可重写的图案和可重复且鲁棒的驱动特性。

图9 多稳定折纸超材料形状变形策略

在机械超材料设计方面，提出了一种基于周期性随机胞结构全场数据训练的视频扩散生成模型（图10），成功预测和调整了大应变条件下压缩的非线性变形和应力响应，包括屈曲和接触。研究人员打破了直接学**从属性到设计的映射的常见策略，而是通过估计预期的变形路径和全场内部应力分布来调整非线性响应。这项工作有望简化和加速具有复杂目标性能的机械超材料的设计。

图10 机械超材料设计及生成模型流程

在新机制和新功能方面，Hwang等人报道的超材料胶粘剂通过程序化切割结构同时实现牢固和可释放的黏附，并具有空间可选的黏附强度。通过迫使裂纹向后扩展，以独特的方式抑制裂纹扩展，从而使黏附力增强60倍，并允许裂纹向相反方向生长，便于释放和重复使用（图11）。该机制在干湿条件下不同基材上的多种胶粘剂中均有效，可同时在任意位置实现两个方向的高度可调的黏附行为，并具有独立可编程的黏附强度。

图 11 可编程强度和方向的超材料粘合剂

量子和时间相关的超材料

作为超材料家族的新成员，基于新物理概念的量子时变超材料也取得了进展。

在量子信息超材料领域，张等人提出了一种基于超材料的超导量子模拟器，将超导量子比特与微波光子带隙超材料波导集成，实现跳跃距离可调、现场相互作用的一维Bose-模型。通过控制和读出单个位点，可以描述多体猝灭动力学测量结果的统计特性，从而实现现场哈密顿学**。研究统计揭示了增加跳跃范围的影响，并提出了从可积性到遍历性的预测转变。这种混合超导量子比特-超材料方法是开发大规模量子模拟器平台的新方法，从而将晶格扩展到二维并容纳更多的量子粒子。

在时变超材料方面，刘等报道了一种经典的超材料纳米结构，即支撑在柔性纳米线上的等离子体人工分子二维阵列，可驱动到连续时间晶体的所有关键特征态（图12）：与人工分子等离子体模式共振的光连续相干辐照会触发自发相变到透射振荡的超辐射态，这种相变是由人工分子间的多体相互作用引起的，具有空间和时间上长程有序的特征。该现象对于研究强关联区动态经典多体态及其在全光调制、频率转换和定时中的应用具有重要意义。

图12 具有连续时间晶体的时变超材料

等人报道了一种支持光子瞬时非保守散射事件的时间界面，探索了这种相干波控制现象的时间模拟。时间界面是一种超材料，其电磁特性可以发生突然而剧烈的变化。利用该超材料实现了光模拟机械碰撞的突然行为，能量可以在光子之间转移，从而完全根据光子的相对振幅和相位传输或吸收能量（图13）。这种“相干波控制”可用于创建诸如完美吸收之类的现象——当波的能量完全消散时，对其进行破坏性干扰，并根据需要调整吸收量。它通过适当调整反向传播信号的振幅和相位，应用于擦除、增强和塑造任意脉冲。

图13 时间界面超材料中碰撞光子示意图

等人报道了在开关传输线超材料中观察到的光子时间反转和宽带频率相关转换，其有效电容基于同步开关阵列均匀且突然变化。在这样的时间界面处，部分输入信号发生时间反转，在其动量守恒的同时，其频谱均匀移动，形成空间界面的时间对应物。通过时间界面的组合，形成时间超材料和物质，利用多个时间反射的干涉进行极端波操控，并使用时间作为额外的自由度。结合一对时间界面，演示了由时间反射引起的波干涉，实现了法布里-珀罗腔的时间对应物。建立了实现时间超材料和光子晶体的基本构建块，并为空间和时间上的极端光子操控提供了机会。

超材料与传统材料的融合

超材料与常规材料的融合近年来被越来越多的研究者采用作为构建高性能超材料的策略。2023年该方向的热点问题将主要集中在基于二维材料的超表面和可重构超材料上。

二硫化钨作为一种具有类石墨烯结构、优异光电性能、可调带隙和稳定物理化学性质的新型二维材料，在过去的一年里受到了广泛的关注。Weber等人报道了纳米结构二硫化钨超表面中由连续束缚态驱动的光与物质之间强烈的本征强耦合现象，即具有尖锐、定制线宽和光与物质相互作用的选择性增强共振。通过改变超表面晶胞，在块体二硫化钨中实现了连续束缚态共振对激子共振的调谐，从而实现了具有反交叉模式和强Rabi分裂的强耦合。这种自复合超表面有望成为极化子器件的平台。

使用相变材料构建可调超材料是一种常见的策略。Wan 等人展示了一种用于中波红外区域的电控二氧化钒金属超表面，它同时充当可调光开关、具有可调限制阈值的光限幅器和具有可调工作范围的非线性光隔离器。通过在超表面内直接施加电流，孔径天线在谐振和非谐振配置之间进行调制，以实现高光学传输对比度，焦耳加热直接通过金属层结合，为限幅和非线性隔离功能提供偏置（图 14）。

图14 基于相变材料的可调谐超材料

石墨烯超材料领域的一个重要进展是魏等人开发了一种基于金属纳米结构与石墨烯集成的超表面中红外圆偏振光电探测器。该探测器可利用等离子体纳米结构的对称阵列进行合理设计（图15），并借助石墨烯带的辅助，实现用于圆偏振光检测的几何无滤波光电探测器，以电子方式读取其近场光学信息。

图15 基于金属纳米结构与石墨烯集成的超表面中红外圆偏振光电探测器

在天然光学超材料（受超材料启发的天然材料）领域，胡志军等人报道了声子极化激元负折射的实验观察。在天然晶体的界面处，极化激元（红外光子和晶格振动的混合）形成准直光，当穿过两种双曲范德华材料（氧化钼（MOO）和同位素纯的六方氮化硼（HBN））之间的晶面界面时表现出负折射（图16）。胡志军等人利用近场光学显微镜和金属天线作为激发源，在实验上成功实现了面内负折射现象，揭示了极化激元面内负折射的主要特性。 当双曲极化子在α侧发射，并传播到石墨烯覆盖的α区域时，由于两侧群速度沿y方向投影相反，极化子会使光在界面处向与正常折射相反的方向偏转，即负折射现象。

图 16 声子极化激元的负折射

外表

1）超材料概念自提出以来，一直是一个基础研究非常活跃、应用前景备受期待的研究领域。然而，超材料的应用却落后于人们的预期，至今尚未形成对产业产生重大影响的技术。2022年我们与超材料理论创始人教授对超材料的发展方向进行了研究分析，认为超材料正从“工程材料”走向“工程材料”（从到）。近年来，超材料产业化步伐加快，未来几年有望在信息技术、能源工程、国防、高端装备、医学检测等领域产生颠覆性技术。

2）超材料的发展仍然面临一些技术壁垒，其中最大的壁垒就是制备技术。以目前最热门的光学超材料为例，虽然该类材料应用前景明确、需求旺盛，但很多研究工作还停留在原理阶段。其主要原因是缺乏高精度的制备和加工手段，目前的工作主要集中在制备难度相对较低、与半导体工艺兼容性较高的超表面领域，还难以得到理想的实验室结果。另外，还缺乏微尺度测试和表征手段，特别是在工作环境中的监测。对于在共振条件下工作的人工结构单元的超材料，研究其服役行为对材料的应用至关重要，应成为未来需要解决的问题。

3）人工智能技术的发展为超材料的进一步发展提供了新的机遇。在过去的一年中，以Chat-GPT为代表的人工智能技术取得了快速的进步，也在材料研究和设计领域崭露头角。超材料作为最具设计特性的一类材料体系，理应是人工智能技术的首批受益者。理论上，超材料的所有设计原理和数据都可以搭载在人工智能技术上，有望大幅缩短超材料的研发和设计周期。

4）超材料在构建新物理系统方面具有巨大潜力，有望推动物理学的发展。超材料为重构新物理机制和新过程提供了有力的手段。许多新奇的研究集中于利用超材料构建类量子系统、类拓扑系统、非厄米系统、时变系统等难以用天然材料获得的物理系统，为物理学特别是实验物理提供了相对理想的平台。正如教授指出的，时间依赖性可以给我们带来重要的意义，因为时间反演不变性被打破，拓扑将有更广阔的空间，而由于光子可以在时变系统中在不同能级之间转换，量子力学变得极其重要。

5）超材料与常规材料的融合对材料科学的发展具有重要意义。超材料的出现为材料研究提供了新的研究范式。为了拓展这一新范式的方法论价值，我们在十多年前就提出了将超材料与常规材料融合构建新型功能材料的思路。随着研究的演进，这一思路逐渐被学者们接受和利用，开始成为新的研究热点。进一步的融合不仅要注重材料与性能的融合，物理机制的融合也有望成为新型超材料的增长点。

作者简介：周济，清华大学材料学院教授，??中国工程院院士，研究方向为超材料。