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本文由论文作者团队投稿
近日，新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu（仇成伟）教授团队与国际合作伙伴携手，开发了一种创新的原子级可调光子技术（GRAM），通过对氧化物材料中金属原子的精确操控，成功实现了光学特性的动态调节。这一突破为未来的自适应光学、信息存储和显示技术带来了革命性的变化。
这项成果以“Atomic-engineered gradient tunable solid-state metamaterials”为题发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）。新加坡国立大学闫智源博士为论文的第一作者；新加坡国立大学仇成伟教授为论文的通讯作者。
传统的元光子材料通常只能在两个固定状态间切换，调控能力有限。GRAM技术通过原子级操控，使材料具备了非二元的多级调控能力。具体来说，该技术利用金属原子（如银原子）在材料中的梯度迁移，通过改变材料的结构和折射率，实现了连续可调的光学状态。在实验中，研究团队成功演示了不同温度下材料的颜色从红到蓝的动态变化，并且这种调控在移除热场后依然保持稳定，具备非挥发性。这种多级调控技术为自适应光学、动态显示和信息加密提供了新的解决方案。
GRAM技术的另一个重大创新是实现了可逆的原子迁移。研究人员设计了一种异质界面，允许金属原子在材料内部进行精确移动，并在外部热场作用下逐步进入或退出材料结构。通过调节温度，金属原子可以在材料中精确地移动，而当冷却后，这些原子可以回到原始位置，恢复到初始状态。这种可逆性使得材料在多次调节后依然保持高效的光学性能，克服了传统材料中金属陷阱和不稳定的挑战。
图2：热场下的Ag原子动态可逆调控实验表征
现有的动态光学调控技术通常依赖于复杂的纳米结构制造，而GRAM技术通过热场调控金属原子运动，无需复杂的制造过程，极大地简化了生产流程。研究团队通过实验展示了在大尺度硅片上进行的多彩图案生成，利用激光扫描技术，通过调节激光功率和扫描速度，成功实现了可编程、高分辨率的颜色图案生成。这一过程只需简单的激光扫描，就能在短时间内在大面积表面上生成精确的彩色图案，且无需额外的光刻工艺，展示了GRAM技术在大规模生产中的应用潜力。
通过GRAM技术，研究团队能够实现从材料折射率调控到光学结构的动态变化，并且可以在数秒内完成大尺度的彩色图案生成和调节。实验中，研究人员通过控制热场，生成了多个具有不同颜色和复杂结构的图案，例如展示了“Peace”字样的热调控色彩印刷以及高分辨率的激光打印蝴蝶图案。这些图案在热场移除后依然保持稳定，展示了GRAM技术在动态显示、信息加密和光学传感等领域的巨大应用潜力。此外，GRAM技术在自适应光学、片上量子计算、大规模超分辨率成像等前沿领域也拥有广泛的前景。
GRAM技术为未来光子学领域的应用开辟了新的可能，特别是在光学传感、动态显示、信息加密和自适应光学等方面。其独特的非二元光学调控和原子级可逆调控能力，突破了传统元光子材料的局限性，提供了更加灵活和高效的调节方式。未来，随着该技术在光学器件中的广泛应用，GRAM有望成为下一代动态显示、智能光学器件和信息存储技术的重要基石。
论文信息
Z Yan, A.D. Handoko, and W Kang, et al.Atomic-engineered gradient tunable solid-state metamaterials. PNAS, 121 (39) e2408974121.
www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408974121
课题组招聘信息
文章第一作者闫智源博士，将入职澳门大学机电工程系/微电子学院IME/集成电路国家重点实验室，课题组研究方向：光电器件、纳米光学和材料交叉学科。招生2025年8月入学的博士生，期待与充满科研热情的你一起探索有趣的课题。
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编辑：赵阳
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