新型超材料纳米尺度亦可操纵可见光

　　8月12日， 《科学》子刊《科学进展》在线刊登了复旦大学材料科学系武利民教授课题组关于可见光超材料的最新研究成果。该研究设计开发了一种新的纳米粒子组装方法—— 纳米固流体法，首次实现了将高折射率的二氧化钛纳米粒子组装成可工作于可见光波段的超材料光学器件。通过将15纳米的锐钛矿二氧化钛纳米粒子组装成半球形 和超半球形固体浸没超透镜，在常规的光学显微镜下实现了45纳米的超分辨率显微成像，大大地突破了光学显微镜的极限分辨率200纳米，并揭示了二氧化钛纳 米粒子间的近场耦合效应在该可见光超材料中的重要作用。

由15纳米二氧化钛所组装成的超半球mSIL 的SEM 图像。

　　探索低损耗的非金属超材料的制备与应用是近年来国际上超材料研究领域的热点之 一，具有重要的意义。制备非金属超材料的难点在于，如何将具有高折射率、低吸收损耗的电介质材料加工成特定的亚波长结构。武利民团队使用在可见光下具有高 折射率且低吸收损耗的锐钛矿二氧化钛材料，提出了一种由下而上的自组装方法来制备可见光超材料。该方法巧妙地利用了油水界面的特性，实现了将15纳米的二 氧化钛粒子组装成不同宏观形态的超材料光学器件，如可实现超分辨率显微成像的固体浸没超透镜。

　　由于亚波长尺寸的二氧化钛纳米粒子间具有 十分紧密的堆积，这些超透镜在可见光下表现出高的有效折射率以及高度的透明性，因而，纳米粒子间可产生局域电场增强效应。利用这一效应及二氧化钛材料低吸 收损耗的特性，远场照明光可通过二氧化钛纳米粒子的间隙传导至待观察样品表面，形成大面积的、亚波长尺寸的近场聚焦光斑；同时，超透镜能够高效的将样品表 面激发的近场消逝波转变成远场传播波。进一步通过光学显微镜捕捉这些携带样品精细细节信息的传播波，便可实现超分辨率光学成像。

　　该研究提供了一种在纳米尺度操纵可见光的途径，未来将该组装方法与纳米印迹、微纳流体等技术结合，有望制备出紧凑、低成本的超材料光学器件，应用于隐身、光子计算机、近场光学检测及太阳能利用等领域。