近日，ZJUI钱超研究员联合国内外研究者利用增益超表面打破基本的散射极限，并揭示了散射的时域工作原理。相关成果以“Breaking the fundamental scattering limit with gain metasurfaces”为题发表在国际著名期刊《Nature Communications》。

自由操控电磁散射是一项极具挑战性的研究课题，早至1871年，Rayleigh、Raman和Mie等科学家们就对光散射现象开展了研究。其中，增强微粒的散射由于可以提高光分辨率和周围介质敏感度，在光伏发电和生物传感成像等领域具有重要应用前景。在电磁隐身方面，我们可以设想将小型无人机伪装成超大型无人机，以此欺骗敌人的探测系统。然而，传统的变换光学和表面等离激元共振等增强散射的方法大多工作在损耗体系，物体的基本散射极限依旧存在，并不能随心所欲增强散射。

▲ 图1 打破基本的物理散射极限

针对这一挑战，我们首次探索增益体系散射，打破传统散射的“牢笼”（图1）。根据时间耦合模理论，在增益体系中，散射极限将会失效，因此可以无限增大散射截面，在视觉效果上，有望构建比物体本身尺寸大的多的“象”。我们用窗口函数照射散射体，分析散射的瞬态响应，揭示了能量累积-平衡-释放的时域全过程（图2），发现不同散射强度的物体所需要的稳态建立时间不一样，例如，图2a中的增益散射体稳态建立时间为28.5纳秒，而图2b的损耗散射体为4.1纳秒。

▲ 图2 散射体的瞬态响应

如何实验实现增益材料是打破散射极限的关键，也是当前一个极具挑战的课题。对此，我们提出一种利用遂穿二极管构造增益超表面的方法，遂穿二极管具有负电阻的性质，电磁波会被放大。以亚波长柱体为基本模型，采用Mie散射理论和逆向设计优化算法，实现其总散射截面是基本散射极限的40多倍。实验中，我们将增益散射体放置在波导中，从近远场两个角度来验证了该现象。

该成果拓展了散射系统的主流范式，为自由调控电磁散射提供了新的思路。所提出的增益超表面为验证其它奇异散射现象提供了丰富的物理平台，在可调超材料、纳米激光和非厄米隐身等方面具有广阔应用前景。

▲ 图3 实验观测增益散射

ZJUI钱超研究员为论文第一作者兼通讯作者。该项研究是与林晓研究员、李尔平教授和陈红胜教授等国内外专家合作完成。该工作获得国家自然科学基金委等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32067-9