超材料由小的重复结构组成，旨在与光波或声波产生所需的相互作用，可以改进用于电信、成像等领域的光学设备。但宾夕法尼亚州立大学电气工程助理研究教授 Lei Kang 表示，这些设备的功能可能会受到相应设计空间的限制。

康和来自宾夕法尼亚州立大学和桑迪亚国家实验室的跨学科合作者利用设计空间的三个维度来创建和测试具有强大光学特性的超材料涂料在线coatingol.com。他们的研究结果在线发表在Advanced Functional Materials 上。

“有效探索 3D 超材料组件或单元的设计空间并不容易，”Kang 说。“但我们在实验室中开发了各种复杂的优化技术，我们与桑迪亚国家实验室的合作允许在纳米尺度上制造非常复杂的 3D 结构。这种先进能力的独特组合为探索 3D 晶胞提供了一个很好的策略这可以导致复杂的超材料功能。”

其中一项功能是实现光的不对称传输，其中光波表现出不同的功率水平，具体取决于它们穿过材料的行进方向。Kang表示，由于设计挑战，对于具有在特定方向上振荡的电场（称为线性偏振）的光，实现这种现象通常需要庞大的组件。他说，允许线偏振光不对称传输的纳米级设备可以显着提高光学设备的效率，推进通信技术应用等。

为了确定理想的晶胞设计，该团队开发了一种基于遗传算法的计算优化器，该算法通过模仿自然选择来识别新的配置，并使用自行设计的和商业软件来瞄准设定参数内的稳健性能。

然而，将这种方法应用于 3D 空间时，在设计优化器时会遇到独特的障碍和好处。在额外维度生成设计，同时为开发功能材料提供额外的自由度，需要更高的计算量。宾夕法尼亚州立大学的研究人员还必须考虑制造限制：更简单的设计更容易制造，但功能可能存在缺陷，而性能理想的复杂设计可能不切实际或不可能在纳米尺度上构建。

在为应对这些挑战而设计的建议中，优化器模拟了立方体形晶胞壁内侧的许多连接金颗粒排列，针对那些最能支持在宽频率范围内实现线性偏振光的稳健非对称传输的排列。

桑迪亚国家实验室的研究人员制造了优化设计，在氮化硅基底上构建了许多具有立方体形空腔的纳米级单元电池。然后在每个晶胞的两个内壁上印上金色图案。

然后，桑迪亚团队通过用线偏振光照射样品材料来对其进行测试。他们发现该设计的性能与其计算优化和模拟的对应物一样好，导致光在很宽的频率范围内的不对称传输。

根据电气工程助理研究教授 Sawyer Campbell 的说法，这种行为使该设计有望用于光隔离器。

“作为光学设备中的组件，光隔离器仅在一个方向上控制和传输光，就像电路中的二极管一样，”坎贝尔说。“这些组件在电信、控制系统和其他领域极为重要。”

研究人员表示，他们的目标是使用他们的优化技术和各种制造方法继续开发超材料。

“创建更复杂的 3D 结构将使我们能够扩展这些发现，”康说。“我们先进的优化方法和最先进的 3D 制造技术的新组合可以进一步推动超材料的光学能力。”

电气工程博士生 Eric B. Whiting 是该论文的第一作者。这项工作的其他贡献者包括桑迪亚国家实验室的 Michael D. Goldflam、Michael B. Sinclair、Katherine M. Musick 和 D. Bruce Burckel；和 Douglas H. Werner、John L. 和 Genevieve H. McCain 宾夕法尼亚州立大学电气工程讲座教授和该项目的首席研究员。Werner 还是材料研究所的教员。