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“光子掺杂”技术使得超材料容易制造

  [据固态电子技术网站2017年3月10日报道] 超材料领域是材料科学、物理、纳米技术和电气工程的交叉学科,旨在产生具有不寻常的电磁特性的结构。通过以精确的周期性排列仔细地组合多种材料,所得超材料显示出本不能存在的性质,例如负折射率。一些超材料甚至可以在它们的表面周围引导电磁波,使得它们对于某些波长的光是不可见的。

  现在,宾夕法尼亚大学的工程师已经展示了一种方法,使超材料具有单一的包容性,可实现更容易的制造,以及其他有用的功能。

  类似于电子“掺杂”,向“纯”材料添加少量原子杂质,给予其许多计算和感测装置所必需的电子性质,这种“光子掺杂”将允许雕刻和定制光与物质相互作用的新方式,影响未来光学技术,如柔性光子学。

  Engheta说:“正如电子掺杂,在原本纯材料中添加一组外来原子可以显着改变主体的电子和光学性质,光子掺杂是指在专门的光子主结构中添加外部光子对象,这是改变原始结构光学散射的一种主要方式。”

  该现象与具有介电常数的特定类别的材料一起工作,该介电常数是与材料的电响应有关的参数,数学上由希腊字母ε表示,几乎为零。

  这些ε-近零或ENZ材料的关键性质是波的磁场均匀分布在整个二维ENZ主结构上,而不管它们的横截面形状如何。这种ENZ材料天然存在或者可以通过传统的超材料方法制成。

  与工程师采用复杂的周期性结构显著地改变这种材料的光学和磁学性质不同,Engheta和他的团队设计了一种用于在2-D ENZ结构中的单一夹杂物以完成相同任务的方式:改变反射或通过的光的波长,或改变结构的磁响应。

  “如果我想改变一块材料与光线相互作用的方式,我通常必须改变它的所有。”Engheta说,“但这里不同。如果我在这个ENZ材料的任何地方放置一个单一的介质棒,对于外部的波来说,整个结构将看起来不同。”

  介电棒是由可以被极化的绝缘材料制成的圆柱形结构。当插入2-D ENZ主机构时,其可以影响该主机构内的磁场,并且因此可以显着地改变ENZ材料主结构的光学性质。

  因为2-D ENZ主结构中的波的磁场具有均匀的空间分布,所以介电棒可以放置在材料内的任何地方。因此,入射波表现为好像主体材料具有显着不同的光学性质。由于介质棒不需要放置在精确的位置,因此可以相对容易地实现这种光子掺杂结构的构造。

  “当我们使用波,这种光子掺杂可以是一种新的方式,我们来确定波在一个设备内从A到B的路径。”Engheta说。 “由于介质棒的变化相对较小,我们只需要改变棒,这只是主结构的一小部分材料,便可以使波“这样走”和“不这样”,这应该有助于设备的速度,并且,因为对于任意形状的ENZ主结构的效果是相同的,同时保持其横截面面积固定,该性质对于柔性光子学可能是非常有用的。”

  “棒的介电性能可以响应热、光学或电气变化,”Engheta说。 “这意味着我们可以使用ENZ材料主结构作为传感器的读出,因为它会由于棒中的变化而传输或反射光。添加更多的棒将能够更精细地调整材料的响应。”(工业和信息化部电子科学技术情报研究所 张慧)返回搜狐,查看更多