科学家研发超颖材料设备 全息技术从科幻走向现实
导读
美国科幻电影《星球大战》中描绘的全息技术，相信大家不会陌生。然而，澳大利亚国立大学的物理学家们，发明了一种微型纳米设备，以构建高质量的全息图像，让科幻走向现实。
科幻
（图片来源于：维基百科）
先从科幻说起，介绍一下《星球大战》。
它由美国卢卡斯电影公司拍摄，以太空科幻为题材的电影系列，描绘了在遥远的太空中，各种英雄人物的冒险经历。这部电影包括「正传三部曲」：1977年 星球大战－曙光乍现 ；1980年 星球大战－帝国反击战 ；1983年 星球大战－绝地大反攻，还有「前传三部曲」、「后传三部曲」，以及相关的电视剧、动画片和小说。
技术
《星球大战》中，最让人难忘的前沿技术就是全息技术。
所谓全息技术，就是利用光线干涉和衍射原理，记录并再现物体真实的三维图像的技术。
首先，利用干涉原理记录物体光波信息，被摄物体在激光辐照下，形成漫射式的物光束；然后，另一部分激光作为参考光束，射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔，将物体光波的全部信息记录下来。
为了让大家更直观的体验，我从《星球大战》相关系列电影和动画题材中，分别选取了几幅图片，供大家参考。
材料
然而，实现任何技术都离不开材料，全息技术更需要特殊材料。此时，一种材料走入了科学家的视线，她就是：「超颖材料」。
超颖材料，是指一类通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的材料。然而，由“超颖材料”构成的薄层，就成了「超颖表面」，它对光线的控制效果前所未有。
在研究中，澳国科学家使用了一种「超颖表面」，它由「亚波长共振器件」构成，每个器件都可以改变入射光线的相位、振幅和极化。正是由于超颖表面具备这种控制和重塑入射光线的能力，它的应用范围除了全息技术外，还包括太阳能电池、计算机、通信、传感器以及显微镜等方面。
但是，目前大多数的超颖表面都是一种「电浆子平面结构」，然而这种结构的材料大部分效率较低，因为他们的金属组件会带来损耗。然而，科学家们又发明了一种「全介质共振纳米光子结构」，可以吸收损耗，提高整体效率。
（图片来源于：澳大利亚国立大学）
制造
有了材料，就要开始考虑造设备了，看看澳大利亚国立大学的物理学家们是怎么做的？
（图片来源于：澳大利亚国立大学）
科学家使用了36种不同的纳米柱，高865纳米，半径在79纳米到212纳米之间，组成一种方型网格形状。每个纳米柱作为全息图的一个子像素。
为了将这些材料制造成超颖表面，科学家使用了低压化学汽相沉积多晶硅，电子束蚀刻定义了纳米柱的几何形状，反应离子蚀刻将几何结构转化成硅。
（图片来源于：澳大利亚国立大学）
研究的合作领导者Sergey Kruk 博士称，设备由数百万个微型硅柱构成，每个硅柱的直径不到人类头发的五百分之一。
效果
（图片来源于：澳大利亚国立大学）
该超颖全息设备，能够创造灰度级的高分辨率图像，并且可以转化90%的光线，衍射效率在1600纳米波长下达99%，操作的频谱带宽是375纳米。迄今为止，这是超颖全息设备中效率最高的。
这个方案还可以应用其他材料例如Ge,、GaAs、TiO2、钻石等等，操作的波长范围可以扩展到其他波长，特别是可见光。
应用
这项研究的领导作者 Lei Wang 称，他们发明的这种复杂的红外线全息图像，未来有望应用于工业领域。
他说，“未来，全息技术研究将在显示器和增强现实设备中，扮演十分重要的角色。所以现在，我们正在致力于研究许多其他相关应用，例如用于摄像机和卫星的超薄和轻量的光学设备。”
这种设备将取代笨重的器件，使得摄像机变得小型化，减少宇宙飞船上光学设备的尺寸和重量，降低太空任务的成本。同时，智能手机、智能硬件、AR/VR设备也属于它的应用场景。
合作
Kruk 博士称，澳大利亚国立大学领导了该设备的设计、制造和光学测试。另外，美国橡树岭国家实验室以及中国南京大学也共同参与了开发。
这项研究由澳大利亚研究理事会支持，目前作为一个重大科学突破，以备忘录的形式发表在《光学》杂志上。
结语
从科幻走向现实的过程是复杂的，需要技术研究、寻找材料、制造设备、验证效果、协力合作、实践应用等一系列的过程，但是凭借努力探索和创新实践，这一切并不是不可能。
大家有兴趣的话，也可以历数一下，有多少曾经的科幻，都变成了如今的现实。未来，随着科学技术的发展，我们有望看到更多科幻中的技术，走到现实生活中来，造福于人类。
参考资料
【1】http://www.anu.edu.au/news/all-news/sci-fi-holograms-a-step-closer-with-anu-invention
【2】Lei Wang, Sergey Kruk, Hanzhi Tang, Tao Li, Ivan Kravchenko, Dragomir N. Neshev, Yuri S. Kivshar. Grayscale transparent metasurface holograms. Optica, 2016; 3 (12): 1504 DOI:
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