利用超材料控制光的纳米级3D结构

由小而重复的结构组成的超材料，可以与光波或声波产生所需的相互作用，可以改善用于电信、成像等领域的光学器件。然而，宾夕法尼亚州立大学电气工程助理研究教授雷康(音译)表示，这些设备的功能可能会受到相应设计空间的限制。

Kang和来自宾夕法尼亚州立大学和桑迪亚国家实验室的跨学科合作者利用三维设计空间创建并测试了一种具有强大光学特性的超材料。

“有效地探索3D超材料组件或单位细胞的设计空间并不容易，”Kang说。“但我们已经在实验室开发了各种复杂的优化技术，我们与桑迪亚国家实验室的合作允许在纳米尺度上制造非常复杂的3D结构。这种先进能力的独特组合为探索3D单位细胞提供了一个很好的策略，可以导致复杂的超材料功能。”

其中一个功能是实现光的不对称传输，其中光波根据它们在材料中的传播方向表现出不同的功率水平。根据Kang的说法，实现这种现象的光与电场在特定方向振荡(称为线偏振)，由于设计上的挑战，通常需要笨重的组件。他说，允许线偏振光不对称传输的纳米级设备可能会导致更高效的光学设备，推进通信等领域的技术应用。

为了确定理想的单元电池设计，该团队开发了一种基于遗传算法的计算优化器，该算法通过模仿自然选择来识别新配置，并使用自行设计和商业软件在设定参数内实现稳健性能。

然而，在设计优化器时，将这种方法应用于3D空间会带来独特的障碍和好处。在一个额外的维度上生成设计，同时为开发功能材料提供了额外的自由度，需要更高的计算负载。宾夕法尼亚州立大学的研究人员还必须考虑到制造的限制:简单的设计更容易制造，但可能存在功能缺陷，而性能理想的复杂设计在纳米尺度上可能不切实际或不可能建造。

在为应对这些挑战而设计的建议中，优化器模拟了立方体单元胞壁内部连接的金颗粒的许多排列，以那些在宽频率范围内最能支持线性偏振光的非对称传输的颗粒为目标。

桑迪亚国家实验室的研究人员制作了优化设计，在氮化硅基底上构建了许多具有立方形腔的纳米单元细胞。然后在每个单元细胞的两个内壁上印上金色图案。

然后，桑迪亚研究小组用线性偏振光照射样品材料，对其进行测试。他们发现，该设计的表现与计算优化和模拟的结果一样好，导致光在宽频率范围内的不对称传输。

电气工程助理研究教授索耶·坎贝尔(Sawyer Campbell)表示，这种特性使得这种设计很有希望用于光学隔离器。

坎贝尔说:“作为光学设备中的组件，光隔离器只能在一个方向上控制和传输光，就像电路中的二极管一样。”“这些组件在电信、控制系统和其他领域极其重要。”

研究人员表示，他们的目标是继续利用他们的优化技术和各种制造方法开发超材料。

Kang说:“创造更复杂的3D结构将使我们能够扩展这些发现。”“我们先进的优化方法和最先进的3D制造技术的新组合可以进一步推动超材料的光学性能。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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