超表面石墨烯是一種厚度小于波長的人工層狀材料，它的金屬結構表面陣列對光學有著奇異響應，但這種奇異的響應一旦設計好了，其性質就不發生變化。
最大的好處就在于它的光學響應可通過施加電壓進行很好的調制，只要往里面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化。
將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。“撕”出石墨烯的方法讓英國的兩位科學家在2010年獲得了諾貝爾獎。
試想一塊材料，光打上去之后，不按鏡面反射的角度反射回來，而是像舞臺追光燈一樣，想讓光射到什么方向就能自動調到什么方向，豈不神奇！
最近，復旦大學物理系的一項研究就展示了一種由石墨烯相關結構制成的材料，使這個設想有可能成為現實，相關研究報告日前發表在美國物理學會權威期刊《物理評論X》上。
這項研究將很大程度上助推全息光學器件的應用。全息之所以能夠真實成像，就在于全息板、片上每一點都記錄了影像的反射相位。而如果局域每一點都實現相位自由調控的話，拿光一打，這個全息影像就能夠動起來。沒準在不久的將來，我們步入電影院，享受一部比3D電影更為炫酷的全息電影。
反射相位動態可調
一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現30度出射或80度出射
想得到這種奇特的材料，最關鍵的技術，是實現電磁波相位的自由調控，這既是此項研究最重要的突破，也是光子學研究中的核心問題。
啥是電磁波的相位？該發表論文通訊作者之一、“長江學者”特聘教授周磊對科技日報記者介紹道：“所有的波都有振幅和相位，電磁波也不例外。振幅決定了一支波的最大振動范圍，而相位決定了波的值什么時候大，什么時候小。”它是描述波是否處于波峰、波谷或它們之間某點的一種標度。比如一支波當其相位為零時，波達到最大值；相位為90度時，波為零；相位為180度時，波又到達負的最大值，如此類推，循環往復。
“相位調控的重要作用在于，如果材料上每一點的反射相位不同，就可以使光打到上面時入射角和反射角不同”，周磊舉例說，比如一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實現30度出射或80度出射等等。
事實上，三年前周磊課題組在一項發表于《自然·材料》的研究中就已實現光反射角度的改變。“但我們先前的研究是死的、被動的，材料一旦做好了就只能讓光以特定角度射出。而用現在新的機理，每一點的相位理論上都是動態可調的，通過相位改變能對光產生不同的干涉效果，按需要打到不同的方向。”
給點兒電壓，它就“燦爛”
對石墨烯而言，只要往里面填一點電子，它的光學響應、對光的反射率，就會發生巨大變化
復旦大學科研團隊是通過什么樣的方式，成功實現對電磁波相位的動態、大幅調控呢？他們想到了一個新奇的辦法——通過對石墨烯施加電壓調節其吸收，進而調控石墨烯相關體系的共振特性，使其實現從欠阻尼到過阻尼的共振演化。
一個振子在振動時因遭受空氣阻力而產生能量損耗，振幅隨時間推移越來越小，這就叫振動的阻尼。周磊介紹說：“當阻尼很小的時候，對振動的作用很小，這就是‘欠阻尼’振動，這時電磁波的相位會隨著頻率的變化而發生很大的變化；當阻尼很大時，比如將一架小秋千放入一桶油里面，這個秋千可能連一次振動都不做到就停下來了，這種振動模式就叫做‘過阻尼’振動，這時頻率雖然變化，可電磁波相位甚至動都不動，根本就不響應。”也就是說，從欠阻尼到過阻尼的演化過程中，相位也從一個能夠產生很大變化的區域，一下子到了一個不怎么變的區域，這就使得相位調控的范圍可以很大。先前一些只在一個固定的過阻尼或欠阻尼區域內進行調控的研究，能實現的調控范圍就很小，比如只有30度。“我們的研究原則上能做到360度整個相位全覆蓋。”周磊表示。
微信二維碼
