物理学的发现引领了弹道光学材料的出现

新开发的弹道光学材料由两种透明材料的复合材料组成，从而形成了等离激元材料。

credit：埃文·西蒙斯和李坤

电子产品越来越多地与光学系统进行配合，例如通过光纤在电子计算机上访问Internet时。但是，啮合光学系统（依赖于称为光子的光粒子）与电子设备（依赖电子）依赖于它们的比例不同，因此具有挑战性。电子的工作范围比光小得多。电子系统和光学系统之间的不匹配意味着每次信号从一个转换到另一个时，效率低下都会蔓延到系统中。

现在，由普渡大学（Purdue University）科学家带领的一个团队找到了一种方法，该方法可以使用半导体和能放大电子活性的物理学新方面来创建更有效的超材料。该研究发表在《Optica》杂志上。

这类新型材料有可能极大地提高医学扫描和科学成像的分辨率，并极大地减少超级计算机的尺寸，从而创造了一个未来，科学家们可以在其中看到更细微的微小事物，并且设备更小，功能更强大。

数十年来，科学家们一直致力于将光子缩小至纳米级，以使其与电子更加兼容，这就是所谓的纳米声子学。这可以通过使用稀有材料和昂贵的生产技术来制造所谓的双曲超材料来实现。使用双曲超材料，科学家可以通过压缩光来收缩光子，使其更容易与电气系统连接。

普渡大学的理论物理学家，电气和计算机工程学教授Evgenii Narimanov解释说：“关于双曲超材料，最重要的是它们可以将光压缩到几乎任何比例。当使光变小时，就可以解决光源的问题。断开光学器件和电子器件之间的连接，然后您就可以制造出非常高效的光电器件。”

问题在于创建这些双曲超材料。它们通常由金属和电介质的交织层组成，并且每个表面在原子级别上必须尽可能平滑且无缺陷，这是困难、耗时且昂贵的。

Narimanov认为，该解决方案包括半导体。他强调，不是因为半导体本身有什么特别之处。由于科学家和研究人员在过去的70多年或更长时间里一直致力于有效地生产高质量的半导体。Narimanov想知道他是否可以利用这种能力并将其应用于生产新的和改进的超材料。

不幸的是，半导体本身并不能制造出良好的光学超材料。他们没有足够的电子。潭门可以在中低频范围内以相对较低的频率工作。但是，为了改善成像和传感技术，科学家需要能够在可见光范围内工作的超材料，该材料的波长比中红外和远红外短得多。

Narimanov和他的合作者发现并测试了一种称为“弹道共振”的光学现象。在这些将超材料概念与单晶半导体的原子精度结合在一起的新型光学材料中，自由（弹道）电子与振荡光场相互作用。

当自由电子在薄导电层的范围内弹跳时，使光场与自由电子的运动频率同步，从而形成复合材料，使电子产生共振，增强每个电子的反应，并产生一种超能材料，在更高的频率。尽管研究人员尚无法达到可见光谱的波长，但他们确实达到了可见光谱的60％。

Narimanov说：“我们证明了有一种物理机制使之成为可能。” “以前，人们没有意识到这是可以做的事情。我们已经开辟了道路。我们证明了这在理论上是可能的，然后我们通过实验证明了工作频率比现有材料提高了60％。”

Narimanov提出了这个想法，然后与得克萨斯大学的Kun Li，Andrew Briggs，Seth Bank和Daniel Wasserman以及马萨诸塞州洛厄尔大学的Evan Simmons和Viktor Podolskiy合作。德克萨斯大学的研究人员开发了制造技术，而马萨诸塞州的洛厄尔大学的科学家为完整的量子理论做出了贡献，并进行了数值模拟，以确保一切按计划进行。

纳里马诺夫说：“我们将继续推动这一前沿。” “即使我们取得了巨大的成功，也没有人会在一到两年之内使半导体超材料达到可见光和近红外光谱。这可能需要大约五年的时间。但是我们所做的是提供材料平台。瓶颈是光子是电子和光子可以在相同长度尺度上相遇的材料，我们已经解决了这一问题。”

发现更多：

Broadband enhancement relies on precise tilt

更多信息：

Kun Li et al, Ballistic metamaterials, Optica (2020). DOI:10.1364/OPTICA.402891

杂志信息：

Optical

Purdue University提供