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在世界范圍內(nèi)，著眼于移動通信系統(tǒng)5G的下一代"6G"的研究和開發(fā)已經(jīng)開始，并且明確表示將采用波長比5G的無線電波（毫米波）更短的太赫茲波。為此，需要透鏡、棱鏡和濾光片等光學(xué)元件來自由操縱太赫茲波。然而，在太赫茲區(qū)域，光學(xué)材料的選擇較少，難以實(shí)現(xiàn)種類繁多的光學(xué)元件，有待開發(fā)易于加工且具有廣泛折射率特性的新材料。 .

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東北大學(xué)工學(xué)研究科研究生院金森義明教授和岡谷大輔副教授的團(tuán)隊(duì)，旨在實(shí)現(xiàn)一種可形成任意形狀、具有任意折射率特性的太赫茲光學(xué)元件，以含超材料的粉末形式建立了太赫茲光學(xué)材料的新加工成型技術(shù)。該研究成果于 2022 年 2 月 28 日發(fā)表在 Nanophotonics 上。

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超材料是由超精細(xì)結(jié)構(gòu)組成的人工光學(xué)材料，作為突破傳統(tǒng)電磁波操縱技術(shù)限制的創(chuàng)新人工結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。在這項(xiàng)研究中，該研究團(tuán)隊(duì)在世界上首次成功開發(fā)了一種制造技術(shù)，該制造技術(shù)可以低成本大量提供可形成任何形狀并具有任意折射率的三維塊狀超材料作為構(gòu)件。

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由于超材料單元結(jié)構(gòu)在透明樹脂中三維分散，不依賴于方向，因此消除了偏振依賴性，可以實(shí)現(xiàn)各向同性光學(xué)特性。超材料的單元結(jié)構(gòu)可以是任何可以使用半導(dǎo)體微加工技術(shù)進(jìn)行圖案化的人造結(jié)構(gòu)。

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三維超材料可以形成任意形狀的超材料單元結(jié)構(gòu)，但是結(jié)構(gòu)的厚度和方向受到限制，并且塊體是各向同性地三維分散的。此外，超材料單元結(jié)構(gòu)的形狀受到自組織圖案化和使用生物模板的制造方法的限制。

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在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種真正的三維塊體超材料制造技術(shù)，其中基于設(shè)計(jì)的任意形狀的各種超材料在制造過程中不受厚度限制地進(jìn)行三維各向同性分散。在太赫茲領(lǐng)域，它將成為實(shí)現(xiàn)可設(shè)計(jì)具有定制光學(xué)特性的創(chuàng)新新材料的基礎(chǔ)技術(shù)。

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開發(fā)的超材料可以作為粉末提供。將含有比太赫茲波波長小的數(shù)十～數(shù)百μm的超材料的樹脂粉末攪拌到液態(tài)樹脂中，使用模具使其固化，從而設(shè)計(jì)任意形狀和超材料。根據(jù)上述方法制造具有折射率特性的光學(xué)材料（三維塊狀超材料）。

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該團(tuán)隊(duì)以成型的方式成功生產(chǎn)了直徑為12mm、厚度為1.6mm的3D塊狀超材料。由立方體粉末制成的三維塊狀超材料邊長為 100 μm，包含具有典型超材料單元結(jié)構(gòu)的開環(huán)諧振器。超材料在三個維度上隨機(jī)分布。在 0.7 THz 附近將折射率改變了 0.135。

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迄今為止開發(fā)的平面形成的超材料很難讓用戶像塊狀材料一樣自由地進(jìn)行二次加工。此外，由于難以獲得超材料作為構(gòu)件，因此需要先進(jìn)的微細(xì)加工技術(shù)來制造超材料光學(xué)元件，這一直是社會實(shí)施的主要障礙。由于本次開發(fā)的超材料可以作為固體粉末材料供應(yīng)，通過模具成型和切削等機(jī)械加工可以自由加工超材料以實(shí)現(xiàn)太赫茲光學(xué)元件，具有劃時代的意義。利用這些優(yōu)勢，有望在6G通信技術(shù)、醫(yī)療、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、安全等廣泛領(lǐng)域得到應(yīng)用。