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浅说人工微结构材料与光和声的调控研究.pdf

浅说人工微结构材料与光和声的调控研究.pdf

上传者: 133*****842@sina.cn 2013-07-26 评分 4.5 0 54 7 245 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《浅说人工微结构材料与光和声的调控研究pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn超构材料的研究和应用专题浅说人工微结构材料与光和声的调控研究*彭茹雯,符等。

暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn超构材料的研究和应用专题浅说人工微结构材料与光和声的调控研究*彭茹雯,昄暋暋李暋涛暋暋卢明辉暋暋刘晓峻暋暋王暋牧暋暋祝世宁(暋南京大学固体微结构物理国家重点实验室和物理学院暋南京暋)(暋南京大学固体微结构物理国家重点实验室和现代工程与应用科学学院暋南京暋)(暋南京大学近代声学教育部重点实验室和物理学院暋南京暋)摘暋要暋暋在过去的三十年里,人们在对光的调控方面进行着不懈的努力,取得了卓有成效的研究进展,其中突出的进展表现在诸如光子晶体的发展、等离激元学与亚波长光学的发展以及超构材料的发展等,文章简要探讨了当前超构材料和人工带隙材料等研究的几种发展趋势,展示了利用人工微结构材料实现对光和声的调控的美好前景关键词暋暋超构材料,等离激元学和亚波长光学,人工微结构材料ArtificialmicrostructuredmaterialsandmanipulationofopticalandacousticwavesPENGRu灢Wen,昄暋暋LITao暋暋LUMing灢Hui暋暋LIUXiao灢Jun暋暋WANGMu暋暋ZHUShi灢Ning(暋NationalLaboratoryofSolidStateMicrostructuresandDepartmentofPhysics,NanjingUniversity,Nanjing,China)(暋NationalLaboratoryofSolidStateMicrostructuresandCollegeofEngineeringandAppliedSciences,NanjingUniversity,Nanjing,China)(暋KeyLabofModernAcousticsandDepartmentofPhysics,NanjingUniversity,Nanjing,China)Abstract暋暋Metamaterialsandplasmonicsarenewfrontiersofscienceinvolvingcondensedmatterphysics,materialscienceandengineeringInthisreview,webrieflydescriberecentprogressinthedevelopmentofelectromagneticandacousticmetamaterials,andalsodiscussthechallengesandpromisesoftheiruseincontrollinglightandsoundKeywords暋暋metamaterials,plasmonicsandsubwavelengthoptics,artificialmicrostructuredmaterials*暋国家自然科学基金(批准号:,)、国家重点基础研究发展计划(批准号:CB)资助项目收到昄暋通讯联系人Email:rwpengnjueducn暋引言信息技术的产生和发展是世纪最伟大的创造之一由于量子力学的诞生和固体物理的发展,晶体管和集成电路的发明造就了微电子产业的蓬勃发展,人类由工业社会逐渐进入到信息社会目前,半导体晶片上电子器件的集成数目按照摩尔定律指数地增长,业已逼近摩尔定律的物理极限,这对信息科技的进一步发展提出了重大挑战从而,探索新一代信息载体正成为国际上最热门的前沿课题近年来人们希望能够像控制固体中电子的传输行为一样,来控制和利用光子,使得光子最终能成为一种信息载体光作为信息载体在传播速度、信息载量以及能量损耗等方面优于电子,极有可能在信息技术和产业发展中起重要作用,因而对光子的调控变得尤其重要与紧迫同时,相关研究也极大地促进了光子学、凝聚态物理和材料科学的发展在过去的年里,人们在对光子的调控方面进行着不懈的努力,取得了卓有成效的研究进展其中突出的进展表现在以下三个方面:第一,光子晶体和介电体超晶格的发展年,Yablonovitch和John等分别发现http:飋飋wwwwuliaccn暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理卷(年)期周期性介质结构对光子的调控,类似于半导体的周期结构对电子的调控,并提出了光子晶体的概念利用光子晶体的光子带隙结构可有效地实现对光子的调控另一方面,介电体超晶格也是较早受到关注的一种人工微结构晶体,它已展示出调控(从激光到单光子不同能量水平的)光信息载体的频率、位置、位相和关联等物理性质的能力由于光子晶体在光通信、光电集成和全光计算等领域的应用前景,年,美国的Science杂志将其评为年度十大科技成就之一尽管如此,光子晶体元件尺寸还是在波长或半波长量级第二,等离激元学与亚波长光学(plasmonicsandsubwavelengthoptics)的发展根据传统的观念,在操纵光子的传输过程中存在着一个基本的约束即衍射极限的限制近年的研究发现,基于表面等离激元的亚波长光学能够突破衍射极限的约束,并且有可能将光子学纳入纳米尺度,相关的研究正逐渐发展为等离激元学和亚波长光学,在光产生、光集成、数据存储、显微技术和纳米印刷技术等方面有着重要的应用从而使等离激元学和亚波长光学连接着电子学和光子学,为构筑既拥有纳电子学的尺寸、又兼有介电光学的速度的新一代信息材料和技术提供科学依据第三,超构材料(metamaterials)的发展年,Pendry等人提出利用亚波长微结构共振单元作为“人工原子暠(见图),构造具有特殊介电常数和磁导率的超构材料,实现对电磁场调控效应超构材料可以产生传统光学材料所不具备的新奇电磁性质(见图),例如人工磁性、负折射现象、光学隐身等超构材料在精密仪器、智能控制和通信系统等领域具有巨大的应用前景“负折射率左手材料暠和“超构材料隐身斗篷暠分别被Science杂志评为年和年的十大科技突破之一目前,超构材料研究已拓展到对声和其他元激发的调控领域毫无疑问,人工带隙材料、超构材料和亚波长微结构等给人们调控光和相关元激发的能带结构和传输性质提供了新的材料体系和物理原理图暋一些人工电磁材料的结构示意图图暋超构材料中一些新奇的电磁现象暋国内外研究现状和发展趋势在过去的年里,人们利用诸如人工带隙晶体,、等离激元材料和超构材料,等人工微结构材料来调控光子,取得了卓有成效的研究进展当前超构材料和人工带隙材料的研究大致有以下几种趋势:第一,从简单均匀体系向复杂耦合的非均匀体系发展第二,从线性无源系统向非线性有源系统发展第三,从电磁超构材料向声和其他元激发系统拓展第四,从对称系统向对称性破缺系统发展具体内容如下:暋从简单均匀体系向复杂耦合的非均匀体系发展自从英国物理学家Pendry等在年提出共振环结构能产生人工磁响应以来,人们迅速通过此类结构以及其衍生结构实现了各个波段的“人工磁性材料暠以及负折射材料,到了年,Pendry等提出了一种非均匀的超构材料,预言通过材料空间折射率的调制可以实现隐身的功能,引起人们极大关注并在实验上获得了验证进而从基于超构材料中的电磁参数可进行人为设计的原理衍生出了一门新兴学科变换光学较之于早期的负折射率材料而言,变换光学可以促使超构材料由初始的均匀系统演化成非均匀的系统,从而可以任意地引导光的传播最近几年,利用超构材料引导光传播的研究又被拓展到利用超构材料控制散射效应,研究表明,通过对一种物体周围设计对应补偿结构可以改变整个物体的散射特性,进而使其等同于另一物体这种神奇的性质又被称为幻像光学由此可见,超构材料正由简单系统向复杂系统发展当然,上述这些研究还都是基于几何光学宏观表现的外在形式,其等效的光学参数都是通过模拟设计得来的其实,在复杂的超构材料体系内,组成单元内部以及单元之间的相互作用已不能忽略人们在这方面已经有比较系统的研究,例如,利用固体物理超构材料的研究和应用专题暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn学中的能带理论和元激发概念等对不同单元结构中的耦合效应进行描述,等等同时,人们还开展了诸如电耦合和磁耦合方面的研究(见图)耦合效应不仅是对超构材料宏观电磁性质的一种微观描述,更是能实现原先不能实现的新物理效应,例如慢光波导、电磁共振转换(见图)、空间对称性破缺与异构杂化、电磁感应透明、金属超宽带透明、旋光性质,、等离激元力作用和光束聚焦(见图),等等图暋人工原子之间电磁耦合,暋(a)能级示意图(b)人工原子的杂化(c)计算的透射谱图暋超构材料中电磁共振转换效应暋(a)和(b)为人工结构的扫描电镜照片(c)实验测量的透射谱(d)实验和计算的介电常数毰和磁导率毺暋从线性无源系统向非线性有源系统发展对于大多数具有调控作用的功能材料或者人工结构来说,非线性效应是至关重要的一个性质大多数超构材料含有金属微结构,在金属表面或者微纳结构中,由于对称性破缺,使得这类超构材料能产生图暋等离激元艾里(Airy)光束以及聚焦,暋(a)样品和场分布(b)光束以及聚焦示意图图暋超构材料“发展之树暠非线性效应,并且受到等离激元模式的局域场增强效应的影响,其非线性效应还可以获得增强超构材料中的磁共振现象中也存在较强的二阶非线性效应此外,在超构材料中引入非线性材料或增益介质也可能实现性能的可调控性和操纵性初始的研究通常是将金属共振环与半导体材料结合,利用半导体在外部光场作用下载流子的变化来调节共振环的工作频率,从而达到动态调控超构材料电磁参数的目的,随着微加工技术的进步,人们已经可以方便地制备各类掺杂增益介质(如掺钕玻璃)和聚甲基丙烯酸酯(掺入荧光分子或量子点)利用抽运光的激励,此类超构材料会表现出众多优异的性质,如损耗补偿、受激放大和受激辐射以及动态调控等另一方面,与非线性材料的结合还可超构材料的研究和应用专题http:飋飋wwwwuliaccn暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理卷(年)期以利用超构材料中可控的电磁模式对非线性效应进一步拓宽,并对其光学性质进行动态调控年,美国Science杂志发表评论,认为非线性超构材料是未来超构材料的研究重点之一(见图)暋从电磁超构材料向声和其他元激发系统拓展声超构材料研究是近年来在电磁超构材料启发下提出的新课题,目前人们已取得相当重要的研究进展研究发现,如果微单元具有局域共振效应,其所构成的超构材料在共振频率附近会表现出负响应等独特性质目前,有许多研究组正致力于共振声学超构材料的理论和实验研究,已设计出多种具有不同结构和性能的超构材料,极大地拓展了声波操控的性能例如,人们从实验发现,在普通声传输线上,周期加载并联亥姆霍兹共鸣器构造的超构材料,具备相速度与群速度反向的新现象人们也曾提出用声传输线理论获得超构材料的传输谱、色散曲线和有效参数的新方法,并得到实验验证近年来,人们将声超构材料的研究进一步拓展到非线性领域人们尝试构造非谐振声传输线超构材料,发现其具有双负本构参数非谐振传输线超构材料不依赖于谐振微单元,具有宽频带和低损耗等优点可以预期,非线性声学超构材料的研究必将进一步拓展超构材料在声波操控方面的应用值得一提的是,与电磁超构材料类似,声超构材料具有众多超常规的奇异特性,如声负折射、声聚焦、声隐身、声定向传输等(见图和图)如何利用这些特异声学效应发展新型声学原型器件目前备受关注例如声透镜,其超高分辨率可实现亚波长声学信息处理、声学器件集成和声场微尺度调控,在分子医学超声成像、微纳结构无损检测等方面有很强的应用背景研究发现布拉格散射型超构材料的平板声聚焦现象可获得接近半工作波长的分辨率而局域共振型超构介质可将倏逝波模式转化为传输波模式,使分辨率突破半工作波长,但是,目前工作大多基于有效介质近似理论,而通过对超构材料中声波的模式耦合等具体声学行为进行深入研究,可以阐明微观结构参数与成像性能之间的定量关系,为设计和制备具有可控全角度负折射效应的超构材料,调控声倏逝波模式的传输行为,探索具有更高分辨率等优异性能的声透镜原型器件,打下坚实的物理基础另外,超构材料还具有某些独特的声学性质,如调节声源辐射状态,可以获得高聚焦的准直声束这些研究进展为基于超构材料新原理声学器件的设计和制备提供了科学依据图暋利用声超构材料突破衍射界限图暋声超构材料中的异常透射暋(a)结构示意图和透射谱(b)和(c)为场分布暋从对称系统向对称性破缺系统的发展在人工带隙晶体和亚波长微纳结构中考虑对称性问题,通过波动方程和微纳结构对称性设计,可以为调控光和声的能带结构和传输性质提供新的材料体系和物理原理主要涉及的对称性有:空间平移、空间反演、时间反演、旋转及规范变换等,无论是在宏观相对论体系还是在微观量子体系上它们都是关键性的科学问题例如在宇称时间对称变换下,系统的哈密顿量通常是厄米的,其能量本征解是成对出现的实本征值,但在宇称或时间破缺的系统中,波动方程的解可能以非成对的形式出现,从而导致非互易单通现象在时间和空间反演对称性方面,时间反演对称性破缺的光子晶体,由于具有非零的量子几何相位和拓扑陈数,将导致一种可类比电子系统中整数量子霍尔效应的单通边界态,微波频段的实验已经证实该效应(见图)在宇称和时间同时破缺的光学复势系统(增益损耗介质)中,一些具有宇称时间对称性的非厄米哈密顿量仍然有实本征值,也存在非对易传播现象,在旋转对称性方面,一些具有手征及奇异的拓扑对称性(如莫比乌斯环)特征的微纳结构同样也可以实现光传输的对称性破缺,,这在研究光子的量子几何相位和拓扑特性方面有重要的意义在应用上,出于对全光器件设计的考虑,人们提出了一些方案来实现光波的非对易的传播,例如利用线性和非线性过程、模式转换、声光作用和衍射模型等方案以往的研究主要集中在微波波段,时间反演对称性破缺的形式也仅限于旋磁或者旋电材料,这需要强的外加磁超构材料的研究和应用专题暋物理卷(年)期暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋http:飋飋wwwwuliaccn场,不利于在光通信波段芯片集成因此,人们期望探索新的时间反演破缺的物理机制,寻找新的拓扑序超构材料,研究可类比电子系统的光子宏观类量子效应,例如单通边界态狄拉克点附近的颤动、经典波的反常量子、Rashba效应以及拓扑绝缘体等新的物理效应,期望探索基于对称破缺型人工微结构的光和声二极管与三极管、可控晶体管以及光和声隔离器等原理型逻辑器件的研制和开发图暋具有光子边界态的微波波导暋(a)实验示意图(b)光子边界态场分布暋结束语通过长期不懈的努力,相信人们会逐渐深入了解人工微纳结构与光和声的相互作用,解决等离激元材料中损耗问题,突破超构材料中的窄带效应等等,利用人工微结构材料最终实现对光和声的操纵,为信息科技的进一步发展提供科学依据和技术思路致谢暋感谢王德麟协助整理参考文献参考文献暋YablonovitchEPhysRevLett,,:暋JohnSPhysRevLett,,:暋JoannopoulosJD,VilleneuvePR,FanSNature,,:暋ZhuSN,ZhuYY,MingNBScience,,:暋LuYL,WeiT,DuewerFetalScience,,:暋LuYQ,ZhuYY,ChenYFetalScience,,:暋LengHY,YuXQ,GongYXetalNaturecommunication,,:暋EbbesenTW,LezecHJ,GhaemiHFetalNature,,:XuHX,BjerneldEJ,KallMetalPhysRevLett,,:暋BarnesWL,DereuxA,WbbesenTWNature,,:暋OzbayEScience,,:暋PendryJB,HoldenAJ,RobbinsDJetalIEEETransMi灢crowaveTheoryTech,,:暋ZhangX,LiuZNatMater,,:LiuY,ZhangXChemSocRev,,:FangN,LeeH,SunCetalScience,,:ValentineJ,ZhangS,ZentgrafTetalNature,,:暋SoukoulisCM,WegenerMNaturePhotonics,,:暋ZiJ,WanJ,ZhangCApplPhysLett,,:暋HuXY,JiangP,DingCYetalNaturePhotonics,,:暋HuXH,ChanCT,ZiJetalPhysRevLett,,:暋ZhuSY,YangYP,ChenHetalPhysRevLett,,:暋LiZY,HoKMPhysRevLett,,:灢暋ZhanP,WangZL,DongHetalAdvancedMaterials,,:暋ZhangWY,LeiXY,WangZLetalPhysRevLett,,:暋WangXH,WangRZ,GuBYetalPhysRevLett,,:暋ShelbyRA,SmithDR,SchultzSScience,,:暋YenTJ,PadillaWJ,FangNetalScience,,:暋PendryJB,SchurigD,SmithDRScience,,:SchurigD,MockJJ,JusticeBJetalScience,,:LiuR,JiC,MockJJetalScience,,:暋LaiY,JackN,ChenHYetalPhysRevLett,,:暋TangZH,PengRW,WangZetalPhysRevB,,:暋BaoYJ,PengRW,ShuDJetalPhysRevLett,,:暋HuangCP,YinXG,WangQJetalPhysRevLett,,:暋LiuN,LiuH,ZhuSNetalNaturePhotonics,,:暋LiuH,GenovDA,WuDMetalPhysRevLett,,:暋XiongX,SunWH,BaoYJetalPhysRevB,,:(R)暋ZhangS,GenovDA,WangYetalPhysRevLett,,:暋HuangXR,PengRW,FanRH,PhysRevLett,,:暋GanselJK,ThielM,RillMSetalScience,,:RogachevaAV,FedotovVA,SchwaneckeASetalPhysRevLett,,:暋XiongX,SunWH,BaoYJetalPhysRevB,,:暋LiuH,JackN,WangSBetalPhysRevLett,,:暋KimS,JinJ,KimYetalNature,,:暋KleinMW,EnkrichC,WegenerMetalScience,,:暋ZharovAA,ShadrivovIV,KivsharYSPhysRevLett,,:暋PadillaWJ,TaylorAJPhysRevLett,,:暋OultonRF,SorgerVJ,ZentgrafTetalNature,,:暋MacDonaldKF,SamsonZL,StockmanMIetalNaturePhotonics,,:暋LuFF,LiT,XuJetalOpticsExpress,,:暋ZheludevNIScience,,:暋WeiH,WangZX,TianXRetalNatureCommunication,,:暋FangZY,CaiJY,YanZBetalNanoLett,,():暋KangMG,XuT,ParkHJetalAdvancedMaterials,,:暋ZhouZK,PengXN,YangZJetalNanoLett,,:暋DongZC,ZhangXL,GaoHYetalNaturePhotonics,,:暋ZhaoK,TroparevskyMC,XiaoDetalPhysRevLett,,:暋RuanZC,QiuMPhysRevLett,,:暋LiL,LiT,WangSMetalPhysRevLett,,:超构材料的研究和应用专题http:飋飋wwwwuliaccn暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋物理卷(年)期暋LiL,LiT,WangSMetalNanoLett,,:暋ZhuXL,ZhangY,ZhangJSetalAdvancedMaterials,,:暋TongLM,GattassRR,AshcomJBetalNature,,:暋WangXL,ChenJ,LiYNetalPhysRevLett,,:暋ZhouL,HuangXQ,ZhangYetalMaterToday,,:暋LiuBQ,ZhaoXP,ZhuWRetalAdvancedmaterials,,:暋ChenL,HeSL,ShenLFPhysRevLett,,:暋MaHF,CuiTJNatureCommunications,,:暋YanCC,CuiYP,WangQetalApplPhysLett,,:暋ChenHY,ChanCT,ShengPNatureMaterials,,:暋ShiLH,GaoLPhysRevB,,:暋XuXF,FengYJ,HaoYetalApplPhysLett,,:暋LiuZY,ZhangXX,MaoYWetalScience,,:暋YangZ,MeiJ,YangMetalPhysRevLett,,:暋FangN,XiDJ,XuJYetalNatureMaterials,,:暋ChengY,XuJY,LiuXJPhysRevB,,:暋LeeSH,ParkCM,SeoYMetalPhysRevLett,,:暋YangSX,PageJH,LiuZYetalPhysRevLett,,:暋LiJ,FokL,YinXBetalNatureMaterials,,:暋AoXY,ChanCTPhysRevE,,:暋ChristensenJ,Fernandez灢DominguezAI,Leon灢PerezFDetalNaturePhysics,,:暋ChengY,XuJY,LiuXJApplPhysLett,,:暋ZhouY,LuMH,FengLetalPhysRevLett,,:暋HeZJ,JiaH,QiuCYetalPhysRevLett,,:暋LuMH,LiuXK,FengLetalPhysRevLett,,:暋LiangB,GuoXS,TuJetalNatureMaterials,,:LiXF,NiX,FengLetalPhysRevLett,,:暋HaldaneFDM,RaghuSPhysRevLett,,:暋WangZ,ChongYD,JoannopoulosJDetalNature,,:暋GuoA,SalamoGJPhysRevLett,,:暋RuterCE,MakrisKG,El灢GanainyRetalNaturePhysics,,:暋PapakostasA,PottsA,BagnallDMetalPhysRevLett,,:暋ChangCW,LiuM,NamSetalPhysRevLett,,:暋YuZF,VeronisG,WangZetalPhysRevLett,,:暋YuZF,FanSHNaturePhotonics,,:暋SerebryannikovAEPhysRevB,,:暋LiXF,NiX,FengLetalPhysRevLett,,:超构材料的研究和应用专题

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