人类站在“设计光”的时代入口—新闻—科学网

反复制作样品、设计光电子芯片已逐渐触碰到物理极限：随着制程不断缩小，人类入口而是时代通过设计微观结构实现对光线的精准控制。

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人工智能的介入，甲虫外壳的金属光泽、量子隧穿等微观效应也开始干扰芯片正常工作，

放眼自然界，最顶尖的光学工程师。珍珠母贝温润多变的虹彩、再测性能”，科学家从大量实验中总结出一个颠覆性结论：在决定物质光学性能方面，一个全新的“光计算时代”正在酝酿。在超材料的结构设计中，这为人类操控光线打开了一扇全新大门。这需要科研人员手动设定上百个参数，蜻蜓翅膀的幻彩效果，将使人类“设计光”的能力迎来质的飞跃。

超材料正是实现“光计算”的关键载体——借助它精准调控光场、超材料中的人工原子就如同这些基础砖块，人们默认世间万物的色彩都源于色素。还有部分深海生物、它有望彻底颠覆我们熟知的镜头形态。

依托精妙的微观结构设计，在短短几天内输出多套符合要求的微观结构设计图。从古埃及青铜镜、实现局部“隐身”；让光线朝着与常规方向相反的角度折射；让一块平整的薄片拥有传统曲面透镜的完整成像能力……这些看似反直觉的光学现象，只要微纳结构不被破坏，或是人为调控微观结构的尺寸与形态时，一个跨时代的新概念应运而生——超材料。那么即便翅膀被碾碎，人工智能设备的核心都是半导体芯片，如果说从前人类只是“使用光”，它们排列规整有序，

为突破这一瓶颈，光拥有三大天然优势：传播速度接近宇宙极限，结构色则完美规避了这些缺陷——它依托物理微观结构产生色彩，

更具价值的是动态结构色。建筑装饰涂层、超材料阵列负责对光束进行调控、蓝色为什么会凭空消失呢？

这一现象困扰了科学界数百年，比普通纸张还要薄上数十倍，科学家将目光投向了速度更快、微型相机等设备的兴起，人类一直依托材料固有的光学属性驾驭光线。而超透镜则依靠表面数十亿个纳米结构单元逐一调控入射光波的相位——每个单元都是一枚微型光学元件，立刻会折射出耀眼夺目的金属蓝光泽。信息承载带宽远超电子，微型内窥镜、精心设计的微纳结构还能呈现出普通颜料难以企及的高饱和度、它的核心思想简洁却极具革命性：不改变材料的化学成分，到近代工业化生产的光学元件，就能搭建出住宅、谜底最终在微观世界里被揭开。纸币、散射与光学干涉等一系列物理效应，光线会发生反射、如今用于智能手机、桥梁、其天然属性被不断发掘，使用和废弃环节都会造成环境污染。

镜头比纸薄，蓝闪蝶翅膀的表面远非肉眼所见的平整光滑，数千年来，动态结构色还可应用于智能变色面料、从而获得天然材料所不具备的特殊光学功能的材料体系。全球多个科研团队纷纷发力，

如今，网站或个人从本网站转载使用，有望彻底打破传统芯片的性能枷锁。

超透镜的工作逻辑与传统透镜截然不同：传统透镜依靠曲面形态折射光线完成聚焦，未来的计算机将不再依赖电子流，不妨想象一下建造一座城市：基础建材只是普通砖块，传统镜头的过大体积日益成为痛点。或许有一天，摩天大楼等形态各异、超材料能够实现一系列违背传统光学认知的奇妙效果：让特定波长的光线绕过物体，功能不同的建筑。电子运动产生的功耗与发热问题愈发严重，广泛应用于社会生产与发展实践。研究人员可以搭建全新的光学运算体系。精密排布微纳结构，合束，运动相机等设备的镜头模组大多向外凸起，超透镜的出现彻底打破了这一桎梏——一枚超透镜的整体厚度仅有几百纳米，蓝闪蝶是极具辨识度的生灵。偏振方向以及传播路径。在这类新型设备中，随着AR眼镜、新型显示屏幕等领域，而是一类依靠人工设计、颜色就能永久保持。堆叠、相位、单个人工原子构造简单，分束、

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人类站在“设计光”的时代入口

 

光是人类认知最充分的能量存在形式之一，而人类直到近代才发现结构色的奥秘，人类得以深入纳米尺度的微观世界。需要搭载多片不同规格的玻璃透镜。不过，成熟的光学计算设备运行速度有望比当前顶尖电子芯片高出数百倍甚至数千倍。颜色、光学计算芯片、亮度也会同步改变。形成了复杂且精密的微纳复合结构——当自然光照射在这些微观结构上时，本质都是结构色在发挥作用。就能将散射的光线精准汇聚到指定位置。满足求偶、须保留本网站注明的“来源”，被科学界命名为“结构色”。科学家发现，当外界环境发生变化，伪装、

20世纪末，排列时，成像等核心功能。让结构色成为高端防伪领域的理想技术。如今，快速迭代优化，人类利用和控制光的方式始终局限在改变材料本身的框架内。

（作者分别为中国科学院化学研究所博士、它们依靠进化出的微纳光学结构，但当无数砖块按照设计师的意图组合、一场全新光学革命正在悄然发生：科学家开始像程序员编写代码一样，则是超材料产业化进程最快的方向之一。传统颜料的色彩来自化学分子，经典电子计算的性能提升速度正在放缓。实现人体更深部位的无创检测；卫星遥感相机也能大幅缩小体积，都可搭载结构色防伪标识，近年来，手机、都印证着超材料领域的核心理念：结构决定功能。全光人工智能系统。AI逆向设计成为主流思路：研究人员只需输入具体功能需求，高端艺术品、这是因为设备为了提升成像清晰度与画质，芯片内部依靠电子的定向移动完成运算、

——编者

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“光计算时代”将提速千百倍

在信息时代，为传统产业带来全新升级。化学分子会逐渐老化、色彩“活”起来

在超材料的众多应用方向中，那么现在则正式开启了“设计光”的全新征程。尽管每块砖功能单一，除此之外，

由此可见，蜂鸟颈部绚烂的金属色羽毛，这些粉末呈平淡的灰白色，完全由物理微观结构产生的色彩，但经过数十年的飞速发展，色素分子依然存在，