2019-05-18 06:38:01
极其透明的紧凑金属超材料

在材料科学中,消色差光学元件可以设计成具有高透明度和低色散。材料科学家已经证明,虽然金属是高度不透明的,但是金属纳米粒子的密集排列,金属体积超过75%,对红外辐射的透明度比锗等电介质更加透明。这种阵列可以形成在超宽带波长范围内几乎无色散的有效电介质,以设计各种下一代基于超材料的光学器件。

科学家可以通过改变纳米粒子的大小,形状和间距来调整这些材料的局部折射率,以设计引导和聚焦光在微观尺度上的梯度折射率透镜。电场可以强烈地集中在金属纳米颗粒之间的间隙中,用于同时聚焦和“挤压”电介质场以产生强烈的,双重增强的热点。科学家们可以利用这些热点来提高在很宽的频率范围内使用红外光谱和其他非线性过程进行的测量。

在最近发表在Nature Communications上的一项研究中,Samuel J. Palmer和英国,西班牙和德国物理,数学和纳米技术部门的跨学科研究团队表明,人造电介质可以保持对红外辐射的高度透明性并观察到这一点。即使粒子是纳米级的,也会产生结果。他们证明了电场穿透了粒子(使它们不能传导),以便在它们之间以紧密排列的方式发生强烈的相互作用。结果将使材料科学家能够设计出消色差的光学元件,用于中红外波长区域的应用。

Palmer及其同事通过改变纳米颗粒的尺寸,形状和间距,对周围环境的局部折射率敏感,能够调整这些成分的局部折射率。科学家们增强了阵列中金属纳米粒子间隙中的电场,同时利用它们的透明度,可调性和高金属填充率来设计梯度折射率透镜。该工作将光聚焦在微观尺度上并挤压纳米尺度的电场,以在整个红外(IR)区域产生双重增强的电场热点。科学家们预计,这项新工作将推动使用红外光谱和其他非线性过程在广泛频率范围内进行的测量。

材料科学家目前能够开发新的和先进的材料;然而,没有新材料在其构成中真正是同质的。然而,大多数材料可以使用均匀的微观特性如折射率来表征,其中原子不均匀性小于入射在材料上的光学光的平均波长。当材料包含足够亚波长结构时,通过有效指数描述称为超材料的人工构造的材料。早期的超材料包括由厘米级金属颗粒阵列组成的人造电介质,能够引导和聚焦电介质等无线电波。早期人造介电材料的金属颗粒非常大,它们表现为对无线电波具有高透明度的完美导体。最近的材料科学研究旨在使用纳米级金属粒子阵列为可见光和红外光谱建立有效的电介质。然后,金属纳米颗粒的组装的进步可以允许在光学领域中进行前所未有的光 - 物质相互作用的复杂工程。

在目前的工作中,Palmer等人。将纳米气缸阵列和纳米球(尽管纳米颗粒可以具有其他形状)的透明度与锗进行对比,以证明阵列可以引导和聚焦光。纳米圆柱阵列表现为具有横向电偏振光的有效电介质;其中电子上的横向力导致振荡的表面电荷,模仿真实电介质中原子的振荡偶极子。

相反,圆柱对横向磁偏振光的响应类似于块状金属,因为电子在纵向电场的作用下自由移动而不会遇到圆柱表面。该研究中的纳米球阵列表现为有效的电介质,无论入射偏振 - 将电子聚焦在任何方向上以产生模仿电介质的振荡偶极子的表面电荷。与真实的电介质(例如锗)相比,这种阵列显示出高透明度 - 即使系统具有高于75%的金属。

为了测试所提出的理论的准确性,Palmer等人。使用直径为60nm的金纳米颗粒产生高度有序的胶体超晶体。他们将超晶体沉积在锗基底上,并使用UV-vis-NIR分光光度计对材料(测试的物理性质)进行表征。科学家们观察到材料具有出色的透明度,证明了实验性生产超材料的可行性。利用磁场近场,他们发现有效的电介质足够透明,可以作为红外辐射的微米级透镜。尽管体积含有82%的金属,科学家们观察到将固体金分解成一系列金纳米圆柱产生了一种能够聚焦光的透明透镜,与同质介电透镜的行为非常相似。

然后,科学家比较了不同类型的金属(铝,银,金和钛),表明具有较长皮肤深度的材料产生了最透明和最不易分散的纳米粒子阵列。帕尔默等人。表明,在固定波长下,如果颗粒表现为准粒子偶极子或完美导体,则确定颗粒直径与金属表皮深度之比。

除了高透明度,科学家们还可以通过控制粒子的大小,形状和空间来调整系统。例如,Palmer等人。控制椭圆柱阵列的纵横比,表明材料的各向异性响应可以调整。数值结果表明,当系统旋转时,有效指数可以很容易地调整到50%以上。因此,科学家们能够通过固定粒子位置和调整其大小来调整有效指数。

为了突出这种调整当地有效指数的潜力,帕尔默等人。然后使用金色圆柱的三角形格构造梯度折射率(GRIN)透镜,并根据位置改变圆柱体的直径。使用GRIN透镜,科学家们能够同时将光线聚焦在微观尺度上,然后在纳米尺度上“挤压”光线,产生强烈的“双重增强”电场热点。与等离激元增强不同,效果不依赖于有损共振,证明了宽带和低损耗特性。

他们表明,GRIN透镜的焦点必须与最密堆积区域重合,以最大限度地挤压电场。与研究中连续穿过空气 - 金属界面的磁场不同,电场强烈地位于间隙中。结果,将2μm波长压缩到2nm间隙产生了研究中强烈的高强度热点。

通过这种方式,帕尔默等人。从金属纳米颗粒阵列构建低损耗,有效的电介质。科学家们获得了高度透明的阵列,超出了锗等真实电介质的透明度;以其低能量辐射的透明度而闻名。他们还能够局部调整和控制形成新超材料的颗粒的大小,形状和空间。科学家们表明,对于大于2微米的所有波长,有效指数基本上是恒定的。这项工作将使材料科学家能够设计和设计具有超材料的复杂光学器件,这些超材料可以在很宽的频率范围内引导或增强光,基本上没有波长的上限。

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