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美科学家研发出表面负折射率材料
日期:2015-07-22 11:01:49 | 来源:海洋防务研究中心 | 点击率:2978
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    【据《光学与光子学新闻网》(osa-opn.org2015627日报道】美国研究小组已经开发出一种二维“双曲表面超材料”,可表现出负折射率等超材料的典型性质。据该研究小组发表在《自然》期刊(2015612日出版)的研究结论,在集成光子电路尺度,这种材料的光学损耗比普通超材料低2个数量级。除了具有低损耗和无衍射传播的特性之外,这种新的表面材料还能够控制可见光波长和反射路径。该研究小组认为,这项工作“打开了了解集成光学电路的大门”,在成像、传感和量子信息领域具有广泛的应用前景。

    超材料所具有的独特光学性能和非凡应用前景在几十年前就已经为人所知,但要在芯片尺度上应用这些特性则是巨大的挑战。体超材料(Bulk metamaterials)在各种情况下都难以集成到平面光子芯片上,且表现出较高的传播损耗,光能量有很大一部分被超材料的金属成分所吸收。

    解决传播损耗问题的一种可能方案是所谓的“双曲表面超材料”(hyperbolic metasurface),这种材料具有强烈的各向异性,允许电磁波能量以表面等离激元(SPP)波的形式沿金属-电介质表面传播。这种二维表面超材料更容易集成到平板光子电路中,不仅比体超材料具有更低的传播损耗,且保留了超材料的负折射率性能。但长期以来,这种材料主要存在于理论研究,还未在可见光频率下进行过试验测试。

    为了将理论变为现实,哈佛大学亚历山大教授与美国光学学会学生会员罗伯特·德福林研究小组利用溅射沉积形成单晶银膜,然后利用精密电子束光刻和等离子刻蚀等手段将银晶体切割成纳米脊线,从而将可见光精确调谐为沿银-空气界面传播的SPP波。根据预测理论,耦合激光以SPP波沿超表面传播时,能量损耗仅为在体超材料中传播损耗的1/100

    研究小组演示了这种低损耗材料的负折射率性能。或许更引人注目的是,这种材料的折射率与波长相关:在波长大于540纳米时,材料具有正折射率;当波长小于540纳米时,折射率变为负数。在该研究小组的另一个实验中,他们发现了一种“新的光学现象”,光线在这些材料中是向左折射还是向右折射取决于波长,这就是所谓的“表面等离激元自旋霍尔效应”。

 

 

   

    论文作者之一德福林表示,这种表面超材料结合了低损耗和二维几何形状特性,有望“开辟芯片级光路控制的新途径”,甚至在单光子条件下也可能实现。演示实验中虽然采用了银-空气界面,但研究小组相信能够找到适用于其他材料和通用技术的一般方法,从而给半导体工业界带来革命。

 

 

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