什么是超材料？

什么是超材料？

2024/09/18

超材料

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-下一代通信和传感的实际进展-

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是超材料？

超材料是希腊词“meta”的组合，意思是“超越”，加上“材料”，意思是物质或材料。一种具有超越自然界的功能的物质。当这个词在 2000 年左右首次使用时，它的意思是一种可以通过改变其结构以前所未有的方式操纵入射光的物质。如今，该定义已扩大到不仅包括可见光等电磁波，还包括影响声波和地震波等波动现象的物质。最近，它已在传感和下一代通信应用中投入实际应用。

什么是超材料

　“超材料”是“一种表现出超越自然界物质功能的材料”。虽然目前对于这种结构能够获得哪些功能还没有明确的定义，但已经有一个共识。例如，术语“光超材料”是指通过影响光来发挥自然界中未发现的功能的物质。具体来说，有些物质表现出“负折射率”，可以将光线弯曲到通常不会弯曲的方向。

　据说第一个超材料是由 Victor Vesselago 发明的，他发表了一篇论文“如果我们创造负折射率会发生什么。”2000 年后，John Pendley 等人提出了一种具有负折射率的完美透镜。 David R Smith和他的同事实现了一种在微波区具有负折射率的材料，其波长比可见光区更长，后来又实现了“微波区隐形斗篷”。其影响如此之大，以致于全世界掀起了一股超材料热潮。

如今，不仅对可见光和微波等电磁波表现出光学功能的材料，而且影响声波和地震波等波现象的材料也被称为超材料。如今，之所以出现新的热潮，是因为这些超材料已经进入了实际应用阶段。

实现超材料的先进制造技术

　超材料如何造成自然界中不存在的现象？基本上，超材料通过选择要沉积的材料并通过微加工技术形成它来创建各种结构。

　例如，“开口环谐振器”是一种典型的超材料，通过微加工在基板上使用金或银创建“C”形结构来获得其功能。这种精细的“C”形结构比入射光的波长更小，因此关键是它能够有效地充当均匀介质。例如，为了制造可见光的“开口环谐振器”，结构的尺寸必须减小到约200纳米或更小。创建这样的结构极其困难，并且需要很长时间才能创建对可见光表现出负折射率的材料。然而，随着许多专门从事微加工技术的研究小组投入研发，可见光超材料的研究已经加速。

　对于可以“通过设计结构来设计功能”的超材料，需要根据想要操纵的现象和想要实现的功能来精确地创建结构的形状和尺寸，这需要先进的设计和评估技术以及制造技术，如下图所示。

超材料在下一代通信和传感中的实际应用

　在日本，第五代移动通信系统（5G）于2020年开始运营。目前正在开发的下一代6G通信将继续实现更高速度和更高容量，预计用于通信的电磁波频率将增加至100 GHz以上。这样做的问题是，高频电磁波的波长很短，因此它们几乎没有“环绕”，并且会被建筑物和其他障碍物阻挡，从而限制了通信区域。为了解决这个问题，AIST开发了一种140 GHz频段超表面反射器，可以放置在建筑物窗户上，以反射电磁波并扩大通信面积。 (2021/11/26 新闻稿）

　除了开发具有新功能的超材料外，解决制造过程中的问题以实现商业化也很重要。仅提取特定方向电场的称为“线栅偏振器”的元件已经安装在显示器、传感器和其他设备中，它们也可以被视为一种超材料。在产业技术研究院，我们考虑到商业化时的制造成本来考虑制造方法，开发了具有三角波纳米结构的线栅偏振器，打破了传统线栅偏振器的纳米结构概念。 (2022/12/01 新闻稿）

　此外，除了新材料和制造工艺的研发外，我们还希望拓展超材料的新用途。我们希望与正在开发光学产品应用的制造商合作，探索如何将超材料应用于 VR（虚拟现实）和 AR（增强现实）的护目镜和镜片。我认为我们可以利用精通应用角度的公司以及我们这些从设计、评估和制造工艺角度熟悉超材料的公司独特的想法来创造新的发展。 （AIST 杂志“支持XR的基础技术」、「什么是控制论化身？」）

超材料通过技术进步扩大可能性

　在超材料的研发过程中，积累了对独特物理现象的研究，但在产品的实际应用上却没有取得进展。然而近年来，由于微加工技术的进步，一些可见光到近红外区域电磁波的超表面（二维超材料）已经投入实际应用，人们对超材料的关注度再次上升。除了通信应用之外，配备超表面的距离测量传感器现已上市。使用超材料消除智能手机相机镜头突出的开发也在取得进展。当我们开发超材料来实现我们设想的功能时，我们有时会想出新的、意想不到的功能。
　这次介绍的内容只是超材料的一小部分。基于各种物理现象的各种超材料的研究和开发正在取得进展，开发制造技术来实现它们也很重要。我们将继续研发以拓展新的应用，关注通过全球研发不断拓展的超材料的可能性。如果您有兴趣，请联系我们。