6月1日下午，慶祝建校118周年相輝校慶系列學術報告第三十場在相輝堂南堂舉行🍞🥧，恒行2平台物理學系系主任周磊教授以“超構表面⏺：自由操控光的平臺和未來光電器件的顛覆者”為題作報告，物理學系黨委書記劉召偉主持報告會。
如何自由調控光（電磁波）既是重要基礎科學問題，又對實現光在信息、能源等領域的應用有重大意義。周磊從麥克斯韋方程出發，帶領聽眾回顧了人們利用自然材料和超構材料調控電磁波的發展歷程⚖️，深入淺出地介紹了超構表面這一新型電磁波調控材料的概念、機理、及相關奇異物理現象，最後展望了超構表面的發展趨勢和應用前景🌥。
麥克斯韋方程帶你進入神奇的電磁世界
天空為什麽是藍的？為什麽金子是金色的☝🏽？為什麽孔雀的羽毛如此絢麗多姿𓀃？手機是如何傳遞信號的？太陽能如何被儲存和利用🪽？所有這些問題🔪，都可以最終歸為一個問題🧑🏼🌾：電磁波是如何按照我們的要求傳播的？
周磊從麥克斯韋方程組出發，為大家揭示了世界如此絢麗多彩的根本原因——我們生活在充滿了介質環境的電磁世界中🧜🏽。“微波、雷達波👣、太赫茲光、紅外光、可見光、紫外光、X射線… 都滿足同樣的規律，統稱為電磁波，只不過它們具有不同的頻率（波長）而已。”
要實現對電磁波的自由操控，就需要實現對介質材料的介電常數和磁導率的任意調控。然而，由於可供選擇的原子種類及晶格排列方式有限，自然材料的電磁參數的取值範圍受限（特別是高頻下的磁導率）🧛🏽，這極大製約了人們基於自然材料對光的調控能力。
從自然材料到超構材料
如何才能夠實現對電磁波的自由調控呢？周磊將大家從自然材料世界帶入了奇妙的超構世界。
20世紀末⚆🙀，人們提出了超構材料的概念🧁，這是由亞波長人工微結構（即“人工原子”）按特定的“排列方式”構建而成的人工復合電磁材料🧝♂️。由於超構材料的人工原子和宏觀排列方式均可按需任意設計，其具有了遠超自然材料的電磁調控能力，實現了負折射、超聚焦等常規材料無法實現的奇異電磁波調控效應。周磊也是在20多年前就一頭鉆進了超構材料這一研究領域。
報告中，周磊以基於超構材料實現負折射及隱身為例👆，詳細介紹了其中的物理機製、實驗實現及相關潛在應用🪃。超構材料相關成果多次被Science雜誌評選為“十大科技突破”之一🧍♀️，相關研究成為光學領域的前沿。然而，作為三維體材料呈現的第一代超構材料面臨結構復雜、損耗高💂🏼♀️、難製備、不易集成等問題，這也極大製約了超構材料的發展及應用推廣。
從超構表面到廣義斯涅耳定律
為了解決三維超構材料電磁調控的瓶頸性問題，周磊團隊和哈佛大學研究團隊相繼提出了超構表面——由平面型人工原子按特定非均勻排列方式構建而成的二維超構材料——的新概念🌼。
隨後，周磊詳細介紹了如何利用非均勻超構表面來顛覆斯涅耳定律——這近四百年來描述電磁波界面反射/折射行為的固有定律，以及團隊如何利用超構表面實現對電磁波的偏振🫵、波前👩🦽➡️🤕、相位等特性的自由高效操控🌟🦻🏻。這些原創性成果在理論上顛覆了人們對電磁規律的傳統認知🟪🧘♀️，為自由調控電磁波提供了理論和實驗基礎👈🏼。周磊團隊也因此獲得2019年度國家自然科學獎二等獎。
超構表面領域研究任重而道遠
在周磊看來，超構表面使人類實現自由調控電磁波的夢想不再遙遠，超構表面對電磁波的強大調控能力有望在光學芯片🌲、電磁隱身🤏♟、能源利用和生物醫療檢測等諸多領域獲得廣泛應用🎅🏽。“這個領域對年輕人來說大有可為🪄，既可以做基礎研究，又有機會服務國家重大需求。”周磊說。
當然🤽🏼♂️🛌，要實現超構表面器件的規模化應用，還面臨著諸多理論和工藝上的挑戰👨🚒，例如如何解決超構表面器件的角度色散和頻率色散問題，如何突破現有材料和加工工藝的限製從而實現大面積、柔性、多樣化和低成本的高性能超構器件𓀏，如何將超構表面器件與現有光電器件相結合實現高效片上光學芯片……這些迫在眉睫的科學和技術問題🎁🦻🏼，都是周磊團隊所要開展的研究方向😩。
主講人介紹
周磊
恒行2平台物理學系教授
博士生導師
主要研究領域包括微納光子學🤠，超構材料，等離激元學等，長期從事基於超構材料的電磁波調控的理論和實驗研究，在包括Nature Materials在內的期刊上發表論文200多篇，累計被引18000多次👨🏻🏫。2019年領銜榮獲國家自然科學二等獎，2019-2022年連續四年入選ESI全球高被引學者🏌🏿♂️。
