在材料科學中，消色差光學元件具有高透明性和低色散性。材料科學家們已經證明，儘管金屬是高度不透明，但密集排列的金屬納米顆粒陣列(按體積計金屬含量超過75%)在紅外輻射下比鍺等介質更透明。這種陣列可以形成有效的介質，在超寬帶波長範圍內幾乎沒有色散，從而設計出各種下一代基於超材料的光學設備。科學家可以通過改變納米顆粒的大小、形狀和間距來調整這些材料的局部折射率，從而設計出梯度折射率透鏡，引導和聚焦微觀尺度上的光。
電場可以強烈地集中在金屬納米粒子之間的間隙中，以便同時聚焦和“擠壓”介質場，從而產生強大、雙重增強的熱點。科學家們可以利用這些熱點來推動紅外光譜和其他非線性過程在寬頻率範圍內的測量。在發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊上的研究中，塞繆爾·j·帕爾默(Samuel J. Palmer)和英國物理、數學和納米技術系一個跨學科研究團隊美國、西班牙和德國的研究表明，人工介質對紅外輻射可以保持高度透明，即使粒子是納米級，也能觀察到這一結果。
- 圖示說明金屬、介質和有效介質如何響應緩慢變化的電場，在每個系統中，外加電場與表面電荷積聚產生的感應電場相對。圖片：Nature Communications
研究證明了電場穿透粒子(使它們在傳導上不完美)，使它們在緊密排列中發生強烈的相互作用。研究結果將使材料科學家能夠設計出用於中紅外波長區域的非彩色光學元件。能夠通過改變納米顆粒的大小、形狀和間距來調整這些成分的局部折射率，同時對周圍環境的局部折射率具有敏感性。科學家們增強了陣列中金屬納米顆粒間隙中的電場，同時利用其透明性、可調諧性和高金屬填充率設計了梯度折射率透鏡。該研究將光聚焦在微尺度上，壓縮納米尺度上的電場，從而在整個紅外(IR)區域產生雙增強電場熱點。
科學家們設想，這項新研究將促進利用紅外光譜和其他非線性過程在廣泛的頻率範圍內進行測量。材料科學家目前能夠開發新的和先進材料；然而沒有任何一種新材料的結構完全相同。大多數材料都可以用均勻的微觀特性來表徵，例如折射率，其中原子的不均勻性小於入射到材料上的平均波長。當材料含有足夠的亞波長結構時，被稱為超材料的人工構建材料用有效指數來描述。早期的超材料包括由幾釐米尺度的金屬粒子陣列組成的人工介質，這些金屬粒子陣列能夠像介質一樣引導和聚焦無線電波。
- 金屬納米粒子陣列的有效介電常數
早期人工介電材料中的金屬粒子非常大，它們對無線電波具有很高的透明度，表現出完美的導體特性。材料科學的新研究目標是利用納米金屬顆粒陣列建立有效的可見光和紅外光譜介質。隨後，金屬納米粒子組裝技術的進步，可以在光學領域實現前所未有的光與物質相互作用的複雜工程。在目前的研究中，對比了納米環陣列和納米球(雖然納米顆粒可以有其他形狀)與鍺的透明度，以證明該陣列可以引導和聚焦光。納米線陣列在橫向偏振光作用下表現為有效的介質；電子上的橫向力導致表面電荷振盪，模擬了真實介質中原子的振盪偶極子。
而圓柱體對橫向磁偏振光的響應與體金屬相似，電子在縱向電場作用下自由運動而不與圓柱體表面接觸。在這項研究中，無論入射偏振是什麼，納米球陣列都表現得像有效的介質——將電子聚焦於任何方向，從而產生模擬介質振盪偶極子的表面電荷。與鍺等真實介質相比，這種陣列顯示出很高的透明度——即使該系統的金屬含量高於75%。為了驗證該理論的準確性，研究人員使用直徑為60納米的金納米顆粒製作了一個高度有序的膠體超晶體。在鍺襯底上沉積了超晶體，並用紫外-可見-近紅外分光光度計對材料進行了表徵(測試了物理性能)。
- 透明金屬陣列的實驗與數值模擬
科學家們觀察到這種材料具有很高的透明度，證明了實驗製作超材料的可行性。利用近場磁場，發現有效介質是透明的，足以作為微米級的透鏡對紅外輻射。儘管在體積上含有82%的金屬，科學家們觀察到，將純金分解成一系列的金納米囊，可以產生一種能夠聚焦光線的透明透鏡，這與均勻介質透鏡的行為非常相似。然後，科學家們對不同類型的金屬(鋁、銀、金和鈦)進行了比較，結果表明，表皮深度較長材料產生的納米顆粒陣列最透明，分散性最小。研究表明，在固定的波長下，粒子直徑與金屬表面深度的比值決定了該粒子是表現為準粒子偶極子，還是表現為完美導體。除了高透明度，科學家還可以通過控制粒子的大小、形狀和空間來調整系統。
- 透明度是材料表皮深度的函數
例如通過控制橢圓柱面陣列的展弦比來表明材料各向異性響應是可以調諧的。數值計算結果表明，當系統旋轉時，有效指數的變化幅度可達50%以上。因此，科學家們能夠通過固定粒子位置和調整它們的大小來調整有效指數。為了突出這種調整局部有效指數的潛力，使用金色圓柱體的三角形網格構建了梯度指數(GRIN)透鏡，並隨著位置改變圓柱體的直徑。利用GRIN透鏡，科學家們能夠同時將光聚焦在微尺度上，然後在納米尺度上“擠壓”光，從而產生強烈的“雙重增強”電場熱點。與等離子體增強不同，這種效應並不依賴於損耗共振，顯示出寬帶和低損耗特性。GRIN透鏡的焦點必須與最近堆積區域重合，以最大限度地壓縮電場。
- （圖示）左:金納米線的有效指數，作為長寬比和粒度的函數。數字(實線)和麥克斯韋·加內特混合公式(破折號)
與研究中空氣-金屬界面上連續存在的磁場不同，電場強烈地定位在縫隙中。結果，將2μm波長壓縮到2nm間隙產生了研究中強烈的高強度熱點。通過這種方法，利用金屬納米顆粒陣列構建了低損耗、有效的介質。科學家們獲得了高度透明的陣列，其透明度超過了鍺等真實介質的透明度；因其對低能量輻射的透明性而聞名。還能夠局部調整和控制形成新超材料粒子的大小、形狀和空間。科學家們展示了有效折射率是基本上對所有波長大於2µm常數。這項研究將使材料科學家能夠設計和設計具有超材料的精密光學設備，這種超材料可以引導或增強光在廣泛的頻率範圍內，基本上沒有波長的上限。
參考期刊《科學》《Nature Communications》《物理評論快報》《Optics Express》
DOI: 10.1038/s41467-019-09939-8
DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.4773
DOI: 10.1126/science.1096796
DOI: 10.1364/OE.23.028170
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