超材料带来通信突破
微小而精细的结构以新的方式操纵声音和电磁波
莉兹·希利著
当遇到问题时，最简单的解决方案可能是改进之前运行的设备或流程的最后一次迭代。但是，当达到改进的极限时，必须发现新的解决方案，而超材料提供了一个空白画布来构建独特的结果。超材料是一种微小的3d毫米大小的结构，它们的特性来自于它们的结构，而不是它们的基础材料，并且可以扩展功能，超越天然材料的限制。
张欣教授（ME， ECE， BME， MSE）是超材料领域的专家，最近她的实验室开发了两种可以操纵声波和电磁波的新结构。虽然它们是不同的，但它们都在自己的频谱和性能上提供了两种形式的波控制，这在其他设备中是可见的。
超表面本质上是一种二维超材料，它被设计成可以操纵波的重复图案。声学超表面的设计是基于一种著名的空间卷曲超材料结构与经典声学元素——喇叭之间的结合。通过构建这些形状的几乎混合，工程师们能够同时调整声波的相位和振幅，使用一个结构，这是以前从未做过的。他们的澳门威尼斯人注册网站研究成果发表在《自然通讯》杂志上。
“一个波有两个组成部分，相位和振幅，振幅意味着你的波有多强，相位意味着它第一次接触超材料的角度，”Reza Ghaffarivardavagh说，他是张实验室的澳门威尼斯人注册网站研究生，也是这篇论文的第一作者。
Ghaffarivardavagh说，在过去，只有声波的相位被利用超表面来调制。通过利用喇叭的灵感修改空间缠绕结构，他们能够完全控制波的相位和振幅。这使得澳门威尼斯人注册网站研究人员可以将一个波分成两个在不同方向上移动的波，或者将一个波集中在一个圆点辐射到一条直线上，如下图所示。
这种新设计有能力塑造无数的应用，从生物医学超声到无损检测和声纳。在未来，它可以用来控制高强度的超声波，聚焦在一个非常特定的形状上，在不伤害活组织的情况下摧毁癌组织。此外，由于能够改变声波，工程师们可以控制声纳，让它击中特定的目标，而不必担心它会被另一个接收到。
第二种超材料操纵来自电磁波谱太赫兹区域的波。电磁波包括从无线电波到微波以及可见光和x射线的任何东西，它们都以不同的频率辐射，赋予它们独特的性质。
太赫兹区域位于光谱上的微波和红外光之间，在太赫兹频率上工作的技术，也被称为亚毫米辐射，比其他领域要落后得多。
太赫兹差距的一个原因是，电子技术的发展还没有达到接收和发射如此高频波的能力。Zhang的实验室与加州大学圣地亚哥分校的Richard Averitt教授团队合作开发的超材料具有调节太赫兹波传输的能力，这为缩小技术差距打开了大门。这幅作品发表在《光学》杂志上，并作为封面图片，展示了一个带有微悬臂阵列的超表面，或者只连接在一端的梁——一个梯子上的横级，梯子的一侧与之相连。
工程师可以通过改变通过该材料的电压大小来选择这种超材料将传输的波的类型及其特性。任何能导电的物质都有谐振特性，通过改变电压来操纵这种特性，工程师们就能改变透射波。
当电流施加到所述超材料上时，所述悬臂合上，从而形成网格图案，并将所述梯级连接到梯子的另一侧；这种超材料的转变增加了它承载流过它的电荷的能力，也就是它的共振特性。共振是一种现象，当一个源的振动影响到另一个源时，就像玻璃被高频声音震碎一样。当电荷能够扩散时，超材料就会以较低的频率共振，其共振特性也随之改变——这种改变就是太赫兹波被操纵的方式。
该装置还可以将波的偏振从圆形转变为线性，这意味着它可以将波聚焦在特定的方向上。目前只有大约30%的原始能量被传输，但改变超材料的几何形状可以增加能量。
可重构的超表面将有助于弥合太赫兹差距，并可用于开发新的太赫兹成像和传感技术。缩小差距还可以实现更快的通信，比如在移动电子设备上传输比4G或5G更快的数据速度。