“相位調(diào)控的重要作用在于，如果材料上每一點(diǎn)的反射相位不同，就可以使光打到上面時(shí)入射角和反射角不同”，周磊舉例說，比如一束正入射的光，通過改變材料的反射相位分布，就可以實(shí)現(xiàn)30度出射或80度出射等等。

　　事實(shí)上，三年前周磊課題組在一項(xiàng)發(fā)表于《自然·材料》的研究中就已實(shí)現(xiàn)光反射角度的改變。“但我們先前的研究是死的、被動(dòng)的，材料一旦做好了就只能讓光以特定角度射出。而用現(xiàn)在新的機(jī)理，每一點(diǎn)的相位理論上都是動(dòng)態(tài)可調(diào)的，通過相位改變能對(duì)光產(chǎn)生不同的干涉效果，按需要打到不同的方向。”

　　給點(diǎn)兒電壓，它就“燦爛” 

　　對(duì)石墨烯而言，只要往里面填一點(diǎn)電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對(duì)光的反射率，就會(huì)發(fā)生巨大變化

　　復(fù)旦大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)是通過什么樣的方式，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位的動(dòng)態(tài)、大幅調(diào)控呢？他們想到了一個(gè)新奇的辦法——通過對(duì)石墨烯施加電壓調(diào)節(jié)其吸收，進(jìn)而調(diào)控石墨烯相關(guān)體系的共振特性，使其實(shí)現(xiàn)從欠阻尼到過阻尼的共振演化。

　　一個(gè)振子在振動(dòng)時(shí)因遭受空氣阻力而產(chǎn)生能量損耗，振幅隨時(shí)間推移越來越小，這就叫振動(dòng)的阻尼。周磊介紹說：“當(dāng)阻尼很小的時(shí)候，對(duì)振動(dòng)的作用很小，這就是‘欠阻尼’振動(dòng)，這時(shí)電磁波的相位會(huì)隨著頻率的變化而發(fā)生很大的變化；當(dāng)阻尼很大時(shí)，比如將一架小秋千放入一桶油里面，這個(gè)秋千可能連一次振動(dòng)都不做到就停下來了，這種振動(dòng)模式就叫做‘過阻尼’振動(dòng)，這時(shí)頻率雖然變化，可電磁波相位甚至動(dòng)都不動(dòng)，根本就不響應(yīng)。”也就是說，從欠阻尼到過阻尼的演化過程中，相位也從一個(gè)能夠產(chǎn)生很大變化的區(qū)域，一下子到了一個(gè)不怎么變的區(qū)域，這就使得相位調(diào)控的范圍可以很大。先前一些只在一個(gè)固定的過阻尼或欠阻尼區(qū)域內(nèi)進(jìn)行調(diào)控的研究，能實(shí)現(xiàn)的調(diào)控范圍就很小，比如只有30度。“我們的研究原則上能做到360度整個(gè)相位全覆蓋。”周磊表示。

　　什么物質(zhì)能有如此靈敏的光學(xué)響應(yīng)，讓研究團(tuán)隊(duì)最終制出了神奇的反射材料？答案要從石墨烯中找。“石墨烯最大的好處就在于它的光學(xué)響應(yīng)可通過施加電壓進(jìn)行很好的調(diào)制。如果一般的銅、金、銀這些金屬，你也可以給它加電壓、填電子，但它里面電子已然數(shù)目異常巨大，往里加個(gè)把電子，它‘看不見’，光學(xué)響應(yīng)沒什么變化”，周磊指出，而對(duì)石墨烯，只要往里面填一點(diǎn)電子，它的光學(xué)響應(yīng)、對(duì)光的反射率，就會(huì)發(fā)生巨大變化。其絕對(duì)變化不會(huì)太大，但相對(duì)變化會(huì)非常劇烈。所以研究團(tuán)隊(duì)想到了用它來和超表面結(jié)合，制成特殊材料。

　　讓石墨烯與超表面親密接觸 

　　“我們的發(fā)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)”

　　周磊向記者介紹：“這項(xiàng)研究由物理系張遠(yuǎn)波課題組和我們共同完成。張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)在石墨烯研究方面有著深厚的積累，而我們則主攻超表面領(lǐng)域。”

　　超表面是一種對(duì)光學(xué)有著奇異響應(yīng)的金屬結(jié)構(gòu)表面陣列，但這種奇異的響應(yīng)是動(dòng)不了的，一旦設(shè)計(jì)好了，其性質(zhì)就不發(fā)生變化。

　　“于是我們就想到用石墨烯把它調(diào)得能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，便與遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)一起合作。兩個(gè)課題經(jīng)過三年的攻堅(jiān)終于取得了這項(xiàng)成果。”周磊說。

　　不僅能夠動(dòng)態(tài)調(diào)控，石墨烯與超表面耦合在一起的反射體系，還具有超薄、極小的特點(diǎn)。用傳統(tǒng)液晶及其他半導(dǎo)體材料制成的相位調(diào)制體系的厚度，如果以光的波長為單位來衡量，通常需是波長的很多倍，而石墨烯超表面的厚度則只有十分之一個(gè)波長。不僅超薄，在光斑橫向的尺度上，這種新材料也能做到極小。

　　最后，作為應(yīng)用實(shí)例，研究還展示了一個(gè)基于石墨烯超表面的太赫茲偏振調(diào)節(jié)器。周磊指出：“太赫茲波段的波長所對(duì)應(yīng)的尺度大概是幾十到上百微米，這個(gè)波段是非常重要有用的，但是在該波段內(nèi)能做出一些動(dòng)態(tài)器件卻是很不容易的。總之，我們的發(fā)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)基于大幅相位調(diào)控的光子器件，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”

　　延伸閱讀 

　　“撕”出來的石墨烯 

　　許多項(xiàng)研究向我們展示了石墨烯的驚人特征，果殼網(wǎng)署名魏郎爾的文章稱，但這些美妙的特性對(duì)樣品質(zhì)量要求非常高。要想獲得電學(xué)和機(jī)械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢的手段：機(jī)械剝離法。

　　2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。他們不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　看起來雖然所需的設(shè)備和技術(shù)含量看起來都很低，但問題是這樣做的成功率更低，要論產(chǎn)業(yè)化，這手段毫無用途。哪怕你掌握了全世界的石墨礦，一天又能剝下來幾片？

　　當(dāng)然現(xiàn)在我們有了很多其他方法，能增加產(chǎn)量、降低成本。例如，我們有液相剝離法：把石墨或者類似的含碳材料放進(jìn)表面張力超高的液體里，然后超聲轟炸把石墨烯雪花炸下來。我們有化學(xué)氣相沉積法：讓含碳的氣體在銅表面上冷凝，形成的石墨烯薄層再剝下來。我們還有直接生長法，在兩層硅中間直接設(shè)法長出一層石墨烯來。還有化學(xué)氧化還原法，靠氧原子的插入把石墨片層分離，如此等等。方法有很多，也各自有各自的適用范圍，但麻煩的是這些辦法生產(chǎn)的石墨烯產(chǎn)品質(zhì)量又掉下去了。

　　這些辦法為什么做不出高質(zhì)量的石墨烯？舉個(gè)例子。雖然一片石墨烯的中央部分是完美的六元環(huán)，但在邊緣部分往往會(huì)被打亂，成為五元或七元環(huán)。這看起來沒啥大不了的，但是化學(xué)氣相沉積法產(chǎn)生的“一片”石墨烯并不真的是完整的、從一點(diǎn)上生長出來的一片。它其實(shí)是多個(gè)點(diǎn)同時(shí)生長產(chǎn)生的“多晶”，而沒有辦法能保證這多個(gè)點(diǎn)長出來的小片都能完整對(duì)齊。于是，這些畸形環(huán)不但分布在邊緣，還存在于每“一片”這樣做出來的石墨烯內(nèi)部，成為結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)、容易斷裂。更糟糕的是，石墨烯的這種斷裂點(diǎn)不像多晶金屬那樣會(huì)自我愈合，而很可能要一直延伸下去。結(jié)果是整個(gè)石墨烯的強(qiáng)度要減半。

　　只能說材料是個(gè)麻煩的領(lǐng)域，想魚與熊掌兼得不是不可能，但肯定沒有那么快。