斯坦福大学Nat Mat，软物质光学超表面，让光转个弯！
斯坦福大学Nat Mat，软物质光学超表面，让光转个弯！
一、【科学背景】
软材料因其与生物系统的兼容性、灵活性和对刺激的响应性而在这些领域显示出巨大潜力。为了实现下一代人光子界面，需要开发能够动态操控光波前的光电子设备，这些设备需要具备软性、刺激响应性和机械适应性。光学超表面作为实现这些目标的理想候选者，它们通过雕刻密集的光散射纳米结构阵列，实现超薄的光学元件。然而，这些超表面通常由刚性无机材料制成，其几何形状和相关的光散射行为在制造后不易调整，限制了其在动态光学系统中的集成和应用。此外，传统的刚性光学材料与人体软组织的集成也存在技术挑战。
二、【科学贡献】
近期，斯坦福大学的研究团队（通讯作者：Nicholas A. Melosh，Mark L. Brongersma，第一作者：Siddharth Doshi ）通过结合软材料科学和电化学的原理，开发了一种新型的电化学可变软物质超表面。这种超表面利用导电聚合物PEDOT:PSS在电化学作用下的膨胀和收缩特性，实现了对光波前动态、精确的操控。相关文章以“Electrochemically mutable soft metasurfaces”为题发表在Nat Mater上。
图1 软性超表面的工作原理
图2 软性超表面的光学调谐特性
图3 利用软性超表面操纵离散波束
图4 利用软性超表面控制光束方向
三、【创新点】
- 该研究提出了一种新型的软性超表面，它利用电化学离子插层方法控制软导电聚合物（PEDOT:PSS）的膨胀和收缩，从而动态调整超表面的几何形状和光学响应。这种基于几何调整的方法克服了传统依靠材料折射率变化的动态超表面所面临的光学损耗和调控范围的限制。
- 这种独特的控制方式使得软超表面能够在可见光范围内实现高对比度、高分辨率的颜色调整和光束转向，且操作电压与CMOS兼容（约1.5V）。这些特性使得这种超表面非常适合用于可穿戴技术。
四、【科学启迪】
这篇文章报道了一种新型的软性光学超表面（metasurfaces），这些超表面能够通过电化学方式改变其形状和相关的共振响应。这种超表面利用软导电聚合物的膨胀特性来实现光学特性的动态调整。与传统依靠材料折射率变化来实现动态调整的超表面不同，这种新型超表面通过改变几何形状来实现光学响应的调整，从而克服了在实现大幅调整和保持低光学损耗之间通常存在的权衡问题。
软性超表面在电解质溶液中的运用，这些溶液在生物学中非常普遍，显示出它们有潜力直接与生理系统相连接。PEDOT:PSS这种材料已经在可植入生物电子学领域得到了广泛应用，并且在含有生理浓度的氯化钠水溶液中表现出明显的电压诱导膨胀现象。如果能够整合其他在低电压（小于0.5伏特）下能在水性电解质中膨胀高达300%的噻吩基聚合物，那么软性超表面的性能将得到进一步提升。
通过将光信号与离子电荷流动相结合，软性超表面可以成为实现目前尚未触及应用的关键技术，比如柔性的可植入光转向设备。目前，集成了电子记录和刺激电极的光纤探针在光遗传学领域被广泛使用，但它们通常缺少通过局部相位调整来空间调制光传递的能力。设计可调谐的超表面，使其能够以光栅耦合器等形式与这些设备集成，将使我们能够利用现有的电气布线和控制架构。这将允许我们在现场动态控制光场，实现更精确的空间和时间控制的光遗传学研究，或者用于其他应用，比如具有动态聚焦功能的内窥镜生物成像。这些体积小、柔软且活跃的光子设备可能会为我们与人体建立无缝光学接口铺平道路。
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