多年来，研究人员一直在努力寻找一种有效的方法来开发不会在光线通过时损失部分光线的透镜——这种效应阻碍了激光器、医疗诊断成像设备和传感器系统的性能。现在，一个由普林斯顿大学的研究小组领导的研究人员开发了一种使用纳米尺寸材料的新技术，为新型透镜奠定了基础，这些新型透镜可以消除当今光学技术中固有的误差和图像失真，并且有一天可能被用于检测空气和体内的有毒化学物质。
这项研究的关键组成部分是创建了一种由“超材料”制成的固态晶体，该晶体具有负折射的特性，这会导致光线在穿过空气和水等天然材料时，朝与自然方向相反的方向弯曲。主要研究作者、普林斯顿大学工程专业研究生安东尼·霍夫曼说，具有负折射特性的透镜将具有平坦的表面，并且不会像具有正折射特性的普通弯曲透镜那样存在相同的分辨率限制和图像失真。
霍夫曼和他的同事们通过在直径为5.1厘米（2英寸）的磷化铟衬底上交替放置80纳米厚（1纳米等于3.94 x 10-8英寸）的砷化铟镓和砷化铟铝层，制造出了他们的超材料半导体。总的来说，超薄层的堆叠高度为8微米（1微米等于3.94 x 10-5英寸），是人发丝厚度的十分之一。研究人员声称，他们已经创建了第一个完全由半导体（微芯片和光电子的主要成分）构建的三维超材料。
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2005年，印第安纳州西拉斐特的普渡大学的研究人员使用100纳米乘700纳米的超薄金纳米棒来传导电子云，在光谱的近红外部分创建了一种具有负折射率的超材料。在今年早些时候进行的另一项实现负折射的二维实验中，加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的研究人员亨利·莱泽克、詹妮弗·迪翁和哈里·阿特沃特在氮化硅和金之间夹了一层100纳米厚的银，并在两端都开口以允许激光进入和离开银。
虽然这些类型的“二维超材料”已经存在几年了，但普林斯顿大学领导的研究为研究人员提供了“在光学上具有一定厚度的物质，可以实现宏观效果”的能力，普林斯顿大学电气工程教授、健康与环境中红外技术（MIRTHE）中心主任克莱尔·格马赫尔说，该研究中心是去年由美国国家科学基金会成立的。
格马赫尔说，进行这项研究的最初原因是出于科学好奇心——对能够以新方式弯曲光的光学材料的着迷，她曾与霍夫曼一起参与该项目。“自 20 世纪 60 年代以来，这一直是一个理论，但我们正朝着可以复制用于制造的更简单系统迈进。”
执法部门和军队使用的热成像和夜视设备利用了光波的中红外区域，这正是霍夫曼、格马赫尔和他们的研究人员集中研究的领域。MIRTHE 的总部设在普林斯顿大学，还包括纽约城市学院、约翰·霍普金斯大学、莱斯大学、德克萨斯农工大学（学院站）和马里兰大学巴尔的摩县分校。
多年来，研究人员一直在努力寻找一种有效的方法来开发不会在光线通过时损失部分光线的透镜——这种效应阻碍了激光器、医疗诊断成像设备和传感器系统的性能。现在，一个由普林斯顿大学的研究小组领导的研究人员开发了一种使用纳米尺寸材料的新技术，为新型透镜奠定了基础，这些新型透镜可以消除当今光学技术中固有的误差和图像失真，并且有一天可能被用于检测空气和体内的有毒化学物质。
这项研究的关键组成部分是创建了一种由“超材料”制成的固态晶体，该晶体具有负折射的特性，这会导致光线在穿过空气和水等天然材料时，朝与自然方向相反的方向弯曲。主要研究作者、普林斯顿大学工程专业研究生安东尼·霍夫曼说，具有负折射特性的透镜将具有平坦的表面，并且不会像具有正折射特性的普通弯曲透镜那样存在相同的分辨率限制和图像失真。
霍夫曼和他的同事们通过在直径为5.1厘米（2英寸）的磷化铟衬底上交替放置80纳米厚（1纳米等于3.94 x 10-8英寸）的砷化铟镓和砷化铟铝层，制造出了他们的超材料半导体。总的来说，超薄层的堆叠高度为8微米（1微米等于3.94 x 10-5英寸），是人发丝厚度的十分之一。研究人员声称，他们已经创建了第一个完全由半导体（微芯片和光电子的主要成分）构建的三维超材料。
2005年，印第安纳州西拉斐特的普渡大学的研究人员使用100纳米乘700纳米的超薄金纳米棒来传导电子云，在光谱的近红外部分创建了一种具有负折射率的超材料。在今年早些时候进行的另一项实现负折射的二维实验中，加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的研究人员亨利·莱泽克、詹妮弗·迪翁和哈里·阿特沃特在氮化硅和金之间夹了一层100纳米厚的银，并在两端都开口以允许激光进入和离开银。
虽然这些类型的“二维超材料”已经存在几年了，但普林斯顿大学领导的研究为研究人员提供了“在光学上具有一定厚度的物质，可以实现宏观效果”的能力，普林斯顿大学电气工程教授、健康与环境中红外技术（MIRTHE）中心主任克莱尔·格马赫尔说，该研究中心是去年由美国国家科学基金会成立的。
格马赫尔说，进行这项研究的最初原因是出于科学好奇心——对能够以新方式弯曲光的光学材料的着迷，她曾与霍夫曼一起参与该项目。“自 20 世纪 60 年代以来，这一直是一个理论，但我们正朝着可以复制用于制造的更简单系统迈进。”
执法部门和军队使用的热成像和夜视设备利用了光波的中红外区域，这正是霍夫曼、格马赫尔和他们的研究人员集中研究的领域。MIRTHE 的总部设在普林斯顿大学，还包括纽约城市学院、约翰·霍普金斯大学、莱斯大学、德克萨斯农工大学（学院站）和马里兰大学巴尔的摩县分校。
普林斯顿团队（还包括来自俄勒冈州立大学科瓦利斯分校和新泽西州默里山的电信公司阿尔卡特-朗讯的研究人员）希望改进的透镜能够导致传感器系统能够测量空气中低浓度的化学物质。“在正常条件下是蒸汽的化学痕量气体具有特征性的吸收特征，”格马赫尔说。能够识别化学指纹的传感器可以用于在有害化学物质被故意或无意释放到空气中时警告人们。医疗专业人员也可以使用这种传感器来检查患者的呼吸中是否存在表明肝病或体内炎症的化学物质痕迹。
除了开发新型传感器外，霍夫曼和他的团队创建的半导体超材料还将改善激光器中使用的光放大。“拥有具有改进光学性能的新材料，只会增强我们可以使用的工具箱，”格马赫尔说，但她补充说，如今大多数这种技术仍处于原型阶段，“还有很多工作要做。你还不会在商业部署中看到它们。”
普林斯顿团队（还包括来自俄勒冈州立大学科瓦利斯分校和新泽西州默里山的电信公司阿尔卡特-朗讯的研究人员）希望改进的透镜能够导致传感器系统能够测量空气中低浓度的化学物质。“在正常条件下是蒸汽的化学痕量气体具有特征性的吸收特征，”格马赫尔说。能够识别化学指纹的传感器可以用于在有害化学物质被故意或无意释放到空气中时警告人们。医疗专业人员也可以使用这种传感器来检查患者的呼吸中是否存在表明肝病或体内炎症的化学物质痕迹。
除了开发新型传感器外，霍夫曼和他的团队创建的半导体超材料还将改善激光器中使用的光放大。“拥有具有改进光学性能的新材料，只会增强我们可以使用的工具箱，”格马赫尔说，但她补充说，如今大多数这种技术仍处于原型阶段，“还有很多工作要做。你还不会在商业部署中看到它们。”