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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元件來自由操縱太赫茲波。然而，在太赫茲區(qū)域，光學材料的選擇較少，難以實現(xiàn)種類繁多的光學元件，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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東北大學工學研究科研究生院金森義明教授和岡谷大輔副教授的團隊，旨在實現(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元件，以含超材料的粉末形式建立了太赫茲光學材料的新加工成型技術。該研究成果于 2022 年 2 月 28 日發(fā)表在 Nanophotonics 上。
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超材料是由超精細結構組成的人工光學材料，作為突破傳統(tǒng)電磁波操縱技術限制的創(chuàng)新人工結構而備受關注。在這項研究中，該研究團隊在世界上首次成功開發(fā)了一種制造技術，該制造技術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件。
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由于超材料單元結構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，可以實現(xiàn)各向同性光學特性。超材料的單元結構可以是任何可以使用半導體微加工技術進行圖案化的人造結構。
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三維超材料可以形成任意形狀的超材料單元結構，但是結構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，超材料單元結構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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在這項研究中，該團隊開發(fā)了一種真正的三維塊體超材料制造技術，其中基于設計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行三維各向同性分散。在太赫茲領域，它將成為實現(xiàn)可設計具有定制光學特性的創(chuàng)新新材料的基礎技術。
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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，從而設計任意形狀和超材料。根據(jù)上述方法制造具有折射率特性的光學材料（三維塊狀超材料）。
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該團隊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構的開環(huán)諧振器。超材料在三個維度上隨機分布。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行二次加工。此外，由于難以獲得超材料作為構件，因此需要先進的微細加工技術來制造超材料光學元件，這一直是社會實施的主要障礙。由于本次開發(fā)的超材料可以作為固體粉末材料供應，通過模具成型和切削等機械加工可以自由加工超材料以實現(xiàn)太赫茲光學元件，具有劃時代的意義。利用這些優(yōu)勢，有望在6G通信技術、醫(yī)療、生物技術、農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境、安全等廣泛領域得到應用。