光學超材料（metamaterial）距離大規模生產和應用還有多遠？

超材料的生產（比如使用離子束刻蝕）等生產方法成本如何？如果超材料過薄，在應用中如何克服一些困難？具體工業應用的前景如何？

一般文獻中都認為 metamaterial是「具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料」。「超材料」是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。迄今發展出的「超材料」包括：左手材料、光子晶體、超磁性材料等。

metamaterial重要的三個重要特徵：

（1）通常是具有新奇人工結構的複合材料；

（2）具有超常的物理性質（往往是自然界的材料中所不具備的）；

（3）性質往往不主要決定與構成材料的本徵性質，而決定於其中的人工結構。

從metamaterial的定義中可以看出，超材料的性質和功能主要來自於其內部的結構，而非構成它們的材料。因此，早期的「超材料」研究與材料科學無緣。無論是左手材料還是光子晶體，最早開展研究的都是物理學家，而此後由於可能的應用，一些電子科學家進入了這一領域。事實上，要獲得理想的「超材料」，「材料」的選擇是至關重要的。對於光子晶體材料，人們在實驗上長期追求的目標是實現光頻段的完全光子帶隙。科學家選擇了銀作為介電背景，銀在可見光範圍的折射率在 0.2-0.4左右，且有很好的透光性。利用化學過程將銀引入到聚乙烯微球晶體，結果獲得了具有接近完全帶隙的光子晶體。利用材料科學的原理，把各種功能材料引入「超材料」系統，有可能獲得具有新功能的超材料或器件。

第二類應用是隱形斗蓬。「超材料引起了不少研究興趣，主要是因為它具有製作隱形斗蓬
(invisible cloak)及超級透鏡
(superlens)的潛力。然而，截至目前製作出來的超材料只能在有限的頻率範圍內工作，而且很難大量生產。為克服這個問題，台灣台北科技大學的任貽均 (Yi-Jun Jen)等人採用了斜角沉積法來製作超材料。斜角沉積法顧名思義是在真空中以傾斜角度將薄膜材料沉積在基板上。任貽均等人先以電子轟擊銀塊材使其氣化，然後讓銀蒸氣沉積在2英寸厚的硅基板上，通過調整基板的傾斜角度，讓銀在自我遮蔽效應 (self-shadowing effect)作用下，優先朝蒸氣注入的方向生長成納米柱。長成的銀薄膜厚 240
nm，銀納米柱長 650
nm、寬 80
nm，並與基板法線夾66度角。研究人員以波長介於 300至 850 nm的光照射樣品以測量其光學特性，結果發現在波長介於 532至 690
nm間會產生負折射，而理論上該系統在可見光波段 (380-750 nm)都會產生負折射。由於斜角沉積法是一種平面技術，它應該能輕易地與微電子製程整合。該團隊接下來將研究薄膜形貌的影響，並開始研發層狀結構以降低能量的衰減。

另一項做法是能夠吸收所有到達其表面的光線，達到光線完全吸收。波士頓學院物理學家威利·J·帕迪利亞說，「當光線打擊材料介質時會出現三種情況：光線被反射，比如光線照射鏡面時；光線被傳播，比如光線照射在玻璃窗戶上時；最後一種情況就是光線被吸收並轉換成熱量。這種最新設計的超材料可以確保光線既不被反射，也不在其中傳播，而是將光線完全吸收轉換成熱量。我們設計的超材料具有特殊的頻率可以吸收所有打擊在其表面上的光量子。」研究小組基於之前用於設計共鳴器的作用場，用計算器模擬實現了電場和磁場結合在一起能夠成功吸收所有放射光線。由於這種超材料成份可以分別吸收電磁波的電場和磁場，從而可以較高地吸收窄頻範圍的光線。帕迪利亞稱，這種超材料第一次示範了對光線的完全吸收，它不同於獨立建造於金屬組件的傳統吸收材料，現使該材料更加柔韌，適合應用於收集和探測光線。超材料的設計賦予其新的特徵，突破了它本身的物理成份限制，能夠依據光線放射程度進行「剪裁定製」。由於該材料的設計基於幾何等級，這種超材料可以應用於相當數量的電磁光譜。

第二類應用是3D顯示技術。「超材料」（以負折射率介質為代表的新型人工電磁介質）使用複合諧振，可以使光在任何方向上彎曲；通過使周圍的光改變方向，很有可能覆蓋他們視覺以內的空間範圍。如今數學家已經給出了一幅藍圖，空心光纖內鑄入「超材料」製造出有覆層的管道，每個這種管道可以掩蓋從平面象素數組過來的光，可以進行 3-D顯示。在3-D中對微小覆層管道的排列，除了發光的一端，從平面象素數組過來的光可以通過光纖而不被看到，這就好像光是浮在空中一樣。「光通過一個物體的一端，看著它在管道中消失，卻在另一端重新看見光」，羅徹斯特大學研究「超材料」的教授 Greenleaf介紹說。根據研究者的介紹，在 3-D顯示中採用這種原理，要求光從象素的平面數組中通過光纖到達它們應在的空間位置上。光從「超材料」製造的空心光纖投射下來，周圍的光繞著管道改變方向，使這些光不可見。另一方面，從象素的平面數組過來的光，不可見地通過每根光纖，在三維空間的特定位置上發光。通過在空間中對數以千計這種象素的排列，可以使得 3-D 顯示簡單地浮現在空中。

至於你提到的使用離子束刻蝕的方法並非代表超材料的主流工藝，周期性孔矩陣可以通過干法或者濕法刻蝕工藝實現，如電子束曝光 (E-beam
lithography)、聚焦離子束曝光 (Focused
Ion Beam lithography)和反應離子束刻蝕 (Reactive
Ion Etching, RIE)等，其特點是底部平坦，空壁光滑，側面形狀不限。多層左手材料結構可以通過材料生長工藝實現，如電子束蒸發，金屬有機化合物化學氣相沉澱，氣相外延生長和分子束外延技術，是希望通過控制外加電場或溫度，改變相變材料介電係數，進而實現可調諧負折射率。其實成本並不高，也不是由工藝來決定超材料生產成功與否，這比你想像還要複雜，加拿大「超隱形生物科技」在 2012年已經發表了，其實距離實用性已經不遠了。