【2016上海科技奖】利用超表面高效调控电磁波 复旦大学周磊团队成果获2016年度上海自然科学奖一等奖

新闻中心讯 3月22日，上海市科学技术奖励大会举行，复旦大学物理系教授周磊团队完成的“电磁超表面对电磁波的调控研究”获2016年度上海市科学技术奖自然科学奖一等奖。该奖表彰了周磊及其团队在前沿基础科学研究中取得的一系列新成果。

周磊是教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，现任复旦大学物理学系副主任。1997年，周磊获得复旦大学博士学位。2004年，他从海外学成归来，被聘为复旦大学物理系教授。2007年、2016年，他曾先后获得国家杰出青年基金和上海市自然科学牡丹奖。

“将光玩弄于股掌之间”

自由调控光（电磁波）一直是人类的梦想，但因自然材料物理特性的限制，其对电磁波的调控能力非常有限。为了解决这一难题，科学家们研发出人工超材料，实现对电磁波的相位、偏振、传输等基本性质的自由调控。这些研究具有重要的基础科学意义和应用创新价值。但传统的超材料主要为三维金属结构，存在损耗高、加工难、不易集成等问题，制约了该领域的继续发展。

为了突破该瓶颈，周磊团队提出“超表面调控电磁波”的新概念。2005年至2014年，周磊团队围绕“利用超表面高效调控电磁波”这一重大科学目标，在“波前调控”“偏振调控”“传输调控”等三方面开展研究。

在“波前调控”方面，团队提出利用梯度超表面实现传输波到表面波完美耦合的新概念，并在微波波段进行了实验验证，这为微波波段的“隐身”提出了新思路。在“偏振调控”方面，团队提出各向异性超表面实现近100%效率电磁波偏振调控的概念，引发大量后续工作。“偏振是电磁波、光波非常重要的特征，3D电影技术就是根据偏振原理制成的。”周磊解释道。用传统的人工材料调控电磁波的偏振，普遍存在效率低、体系厚等问题，而超表面能克服这些难题，实现高效率调控电磁波偏振。在“传输调控”问题上，团队提出电磁波隧穿新机理，利用超表面高效调控电磁波传输。高性能光电材料具有非常重要的应用价值，但同时实现高导电性和高透光性始终是个矛盾。团队针对这一问题提出解决方案：“在一块金属薄膜的两侧贴附超表面结构，就能保证既有完好的导电性又有近乎完美的电磁波透过率。”

实现上述研究成果的前提是设计好超表面结构，这也是该项目的核心技术。周磊表示，“用金、银、銅等金属材料构建出不同大小不同形状（如工字形）的二维结构，再将其按照某种特定的序列排序，即得到想要的超表面结构，可以实现‘将光玩弄于股掌之间’的梦想”。

“不经历风雨，怎能见彩虹”

回想起项目的研究过程，周磊感叹惊喜交加。梯度超表面的研究想法是在他2005年返校工作不久才萌芽的。2008年，他指导的一名本科生的毕业设计证明了梯度超表面实现传输波到表面波耦合这一概念在理论层面上的可行性。后来，他的博士生将该理论付诸实现，设计出梯度超表面并在微波波段做了实验验证。2012年，他们在Nature Materials发表了该项目的第一篇论文《梯度超表面：一个链接传播波与表面波的桥梁》。在论文投稿前，他们意外地发现哈佛大学的教授刚刚发表了相同研究领域的论文，只不过他们两个团队是在不同的电磁波波段上进行研究，且哈佛团队并没有涉及传输波到表面波转换这一核心思想。“看着研究一点点做出来，有种拨云见日的感觉”，但当得知哈佛团队已发表过相同研究的论文，顿时“有种想跳崖的感觉”。论文的审稿过程对周磊团队而言“就是个炼狱”，他们共经历5轮审稿，每一轮都如履薄冰，痛并快乐着。“不经历风雨，怎能见彩虹”，周磊风趣地说道。

周磊之前是搞理论研究的，但他觉得“没有实验支撑的理论只是空中楼阁”，于是转为理论与实验并重的研究模式。2008年，在复旦物理系的大力支持下，他建立了一个研究和教学两用的实验室，取名“超材料微波实验室”，该项目的第一篇论文就是在该实验室完成的。谈到为何会选择回国内发展的原因时，周磊说“尽管有时候会吐槽国内的种种问题，但最后还是认为国内是一个能实现梦想的地方。”他认为，“做科学研究的人，对未知世界的终极真理有着强烈的好奇心，其工作的满足感源于对未知世界的认知”。同时，他也期待国内的其他同行能够始终以好奇心驱动着研究工作，在越来越多的领域中起到引领作用。