纳米结构材料向后折射光线

一种新创建的纳米结构材料具有以前理论上可能的特性：它可以向后折射光，而不管光照射材料的角度如何。这种特性被称为负折射，它意味着折射率——光可以穿过给定材料的速度——在所有角度的电磁光谱的一部分上都是负的。

折射是材料的共​​同属性;想想一杯水中的吸管似乎移到一边的方式，或者眼镜中的镜片聚焦光线的方式。但负折射不仅仅涉及将光线向一侧移动几度。相反，光线以与其进入材料的角度完全相反的角度发送。这在自然界中尚未观察到，但从​​1960年代开始，理论上被认为发生在所谓的人工周期性材料中，即构造成具有特定结构模式的材料。直到现在，制造工艺才赶上理论，使负折射成为现实。

“负折射对纳米光子学的未来至关重要，纳米光子学旨在理解和操纵光在尽可能小尺度上与材料或固体结构相互作用时的行为，”加州理工学院鲁本·F.和唐娜·梅特勒教授JuliaR.Greer说材料科学、力学和医学工程博士，以及描述新材料的论文的资深作者之一。该论文于10月21日发表在NanoLetters上。

这种新材料通过结合纳米和微米级的组织以及通过耗时和劳动密集型工艺添加薄金属锗膜涂层来实现其不同寻常的特性。Greer是创造这种纳米结构材料的先驱，这种材料的结构设计和组织在纳米尺度上，因此表现出不寻常的、经常令人惊讶的特性——例如，非常轻的陶瓷可以弹回原来的形状，像海绵一样，被压缩后。

在电子显微镜下，这种新材料的结构类似于空心立方体的格子。每个立方体是如此之小，以至于构成立方体结构的梁的宽度比人类头发的宽度小100倍。晶格是使用聚合物材料构建的，这种材料在3D打印中相对容易使用，然后涂上金属锗。

“结构和涂层的结合赋予了晶格这种不同寻常的特性，”NanoLetters论文的通讯作者RyanNg(MS'16，Ph.D.'20)说。Ng在Greer实验室攻读研究生时进行了这项研究，现在是西班牙加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所的博士后研究员。研究团队通过艰苦的计算机建模过程(以及天竺葵是一种高折射率材料的知识)，将立方体晶格结构和材料作为正确的组合。

为了使聚合物以这种规模均匀地涂上金属，研究团队需要开发一种全新的方法。最后，Ng、Greer和他们的同事使用溅射技术，用高能离子轰击锗圆盘，将锗原子从圆盘上喷射到聚合物晶格表面。“要获得均匀的涂层并不容易，”Ng说。“优化这个过程需要很长时间和很多努力。”

该技术在电信、医学成像、雷达伪装和计算方面具有潜在应用。

在1965年的观察中，加州理工学院董事会终身成员、加州理工学院校友戈登·摩尔(GordonMoore)(Ph.D.'54)预测，集成电路每两年就会变得复杂两倍，成本降低一半。然而，由于当前硅半导体允许的功耗和晶体管密度的基本限制，摩尔定律预测的缩放应该很快就会结束。“我们正在达到遵循摩尔定律的能力的尽头;使电子晶体管尽可能小，”Ng说。目前的工作是向展示启用3D光子电路所需的光学特性迈出的一步。因为光的移动速度比电子快得多，所以理论上3D光子电路会比传统电路快得多。

NanoLetters论文的标题是“能够在中红外负折射的3维核壳光子晶格中的色散映射”。

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