【IM交叉学科材料】南京大学祝世宁院士、李涛教授团队封面综述：超构材料——从基础物理到智能设计

光学超构材料（Metamaterial）是对光场有高效调控能力的一种人工微结构材料，人们探究其物理原理、设计方法、加工制备手段和实用器件的研发，使得该领域与物理学、材料学、电子学、化学等多个学科交叉融合。近年来，超轻超薄的二维超构表面（Metasurface）材料受到了学术界和工业界的广泛关注和深入研究，并发展出了以超构透镜（Metalens）为代表的诸多实用化功能。尤其是与人工智能（Artificial Intelligence, AI）算法的结合，使得超构光子器件得到了丰富的功能和优异的性能。

图2 超构透镜成像——（A,B）消色差超构透镜，（C-F）广角超构透镜

文章首先介绍了三维超构材料的物理原理，即通过设计人工微结构实现不同的电极化率ε和磁导率μ分布，从而产生所需的电磁响应。并介绍了基于三维超构材料的负折射现象、超分辨成像、电磁隐身、幻象光学等经典的工作。接下来文章介绍了共振型超表面、几何相位型超表面以及传播相位型超表面等不同类型超表面材料的物理原理，及消色差超构透镜、广角超构透镜等超构透镜成像的工作。随后文章指出，尽管有一些经典的物理模型可以解释超构器件的工作原理，并指导结构的设计，然而随着人们对于超构器件要求的不断提高，结构单元变得更加复杂、结构数量指数上升、结构分布也更加任意。这些都使得严格地从物理模型进行推导已经不能不满人们的需求，必须借助算法来优化和设计超构材料。文章后续不仅介绍了如遗传算法、蚁群算法、牛顿优化算法、拓扑优化算法等经典的逆向设计算法应用于超构材料设计的工作，还着重介绍了近年来人工智能方法尤其是神经网络算法引入超构材料研究给该领域发展注入的新鲜活力。包括从神经网络辅助的微结构参数设计，到基于智能算法实现的复杂功能或高性能的超构透镜、全息成像、结构色、生物传感探测、能量转换、光信息存储等超构光学器件，再到智能算法和可编程逻辑门阵列（FPGA）结合所实现的智能识别、智能隐身、智能通信等自适应智能超构器件。

图3（A-D）智能算法设计超构材料，（E,F）自适应智能超构器件

祝世宁

中国科学院院士、中国光学学会、美国物理学会及美国光学学会会士。南京大学固体微结构国家重点实验室、物理学院教授。曾获国家自然科学一等奖、江苏省基础研究重大贡献奖等。其研究兴趣包括功能微结构材料、激光与非线性光学、量子光学、量子信息学等。 

李 涛

南京大学现代工程与应用科学学院教授。2005年在南京大学获得博士学位，2008年加入南京大学任教。2012年在新加坡南洋理工大学和香港浸会大学做访问学者，获得“2013年王宽诚教育基金会奖学金。入选南京大学“登峰人才B计划”，获得“国家优秀青年科学基金”和科技部“中青年领军人才”。他的研究兴趣是超构材料、等离激元光子学和光子集成等。至今，发表论文100多篇，引用次数超过5000次，近期H指数36（Web of Science），在国际会议和研讨会上发表了50多篇特邀报告

陈 绩

东南大学移动通信国家重点实验室、信息学院副研究员，硕士生导师，东南大学至善青年学者特岗专项资助，中国电子学会高级会员。博士毕业于南京大学光学工程专业，现从事光无线通信、先进成像技术、智能光信息处理等研究，其研究工作受到国内外的高度认可，以第一作者或通讯作者在Nature、Optica、Laser & Photonics Reviews、Nano Letters等国际刊物上发表多篇学术论文。研究工作被Optica News、AAAS Eurekalert、CLP News等国内外媒体多次报道。论文共计被引超1200次，多次在国际学术会议上做邀请报告。

胡珊珊

南京大学物理学院研究生，导师为祝世宁院士。其目前研究方向为超构光学器件设计、超构透镜成像、智能图像处理等。

     Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和42位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。

· 2022年1月首发，前三年完全免费发表

· 2022年6月被DOAJ数据库收录

· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”

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