超大负折射率材料研制成功

一些特殊的人工制造材料对光线的作用行为与普通物质,如水和玻璃,完全不同:这些材料具有负的折射率,光线在这些材料中传输时会向相反的方向偏折,与普通物质不同。这种负折射材料可以更有效地会聚光线,甚至当光波长比器件的厚度还大的时候也可以实现会聚效果,这使得对光进行显微控制的器件成为可能。

最新的实验获得了对射频光具有超大负折射特性的材料。Hosang Yoon、Kitty Y. M. Yeung、Vladimir Umansky 和 Donhee Ham 等人制造了一种特殊材料,在极低温度下可以使光线比以前弯曲得更厉害。这使人们对光和电子的相互作用有了新的认识。

负折射

普通物质折射光线会使得水中的吸管看起来像是弯曲或者折断了,如上图左边所示。一些特殊物质具有负折射特性,会使得光线向相反的方向折射,如上图右边所示。图 UCSB Art and Technology

所谓折射就是指当光线从一种物质进入到另一种物质的时候光线传输路径发生改变的一种现象(光在单一均匀介质中是沿直线传播的)。如果将吸管的半截斜着插入玻璃杯里的水中,我们从外面看到的吸管就变弯了,水中的部分看起来更陡峭。但是尽管吸管在水中的部分看起来更陡了,却不会折到另一边去,总体上还是与插入的方向大致相同。如果在杯子外壁上合适的位置竖着拉一条线,可以使得吸管的水上部分和水下部分分别在竖线的两侧。但是在负折射率材料中,我们会看到空气中的部分和材料中的部分可能在竖线的同一侧。如上图所示。

研究人员通过一种特殊设计的半导体器件获得了很高的负折射特性。在 GaAs 基底上形成一系列细条状的 AlGaAs。这种构造形成一种 2 维的电子气体(2DEG),这些电子的运动被束缚在细条和基体之间的界面上。

论文作者指出,如果只有一个 AlGaAs 细条,该器件不会表现出负折射特性。因为大量细条与晶格中原子的作用一样,迫使电子产生特定的行为。也正是因为如此,这些行为在普通的固体物质中是不可能出现的。这种材料就是我们常说的光子晶体了。因为具有这种特性的材料是人工制造的,因此称之为超材料(Metamaterial)。

普通玻璃对可见光的折射率约为 1.5;前述实验中制造的具有负折射特性的材料其折射率是 -5(形成图中右边玻璃杯中的效果)。而这次发表的研究成果中获得的负折射率约为 -700,这是非常非常大的负折射效应。对于普通物质,其折射率与光的频率有关(即所谓色散效应,可以用三棱镜将白光分解成五颜六色的光),负折射率也是如此。实验中 -700 的折射率是针对频率大约是 10GHz 的光来说的。该频率的光位于电磁波谱中的无线频带中,人眼不可见。

论文作者使用准牛顿模型来解释这一现象:光波加速电子,从而产生一个新的电磁波,与原来的相垂直。两个电磁波的叠加产生了负折射率。该模型得到了实验的证实,因为该器件只能工作在非常低的温度下(大约 4K,即大约 -270°C),而这个温度下电子不会分散,但是该器件由于显著的热效应而无法工作在高温下。

严格来说,上述模型也不纯粹是牛顿式的,因为材料中的电子与自由电子不同,他们的有效质量有很大差别。实际上,材料中的载流子,类似于石墨中的电子,有效质量可能接近零。但是尽管如此,正如作者所说,与他们所使用的超材料类似,石墨也具有 2DEG。

因为射频电磁波很难控制,透镜对它们几乎没有作用。对射频电磁波的会聚需要大型的反射器,类似于射电望远镜中使用的那种。使用超材料来会聚射频电磁波标志着显微控光器件的巨大进步。

该成果发表在最新一期的《自然》杂志上。

via arstechnica.com©

本文发表于水景一页。永久链接:<http://cnzhx.net/photonics/news/extraordinarily-strong-negative-refraction-metamaterial/>。转载请保留此信息及相应链接。

雁过留声,人过留名

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

特别提示:与当前文章主题无关的讨论相关但需要较多讨论求助信息请发布到水景一页讨论区的相应版块,谢谢您的理解与合作!请参考本站互助指南