The Inverse Problem of Quartic Photonics
我们提出了一种方法来工程四次超材料从所需的光子态。我们应用我们的方法的设计的高k渐近的超材料，极端的非互易性和复杂的双各向异性介质。
2017-12-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Scattering matrix of the boundary of a nonlocal metamaterial providing insights into non-Maxwellian boundary conditions due to spatial dispersion
我们提出了一个简单的局部均匀介质和潜在的非局部超材料/光子晶体之间的界面模型。这个模型使我们能够计算散射矩阵元素的界面上的平面波的光垂直入射在界面上从任何一个方向。所得的散射矩阵提供了深入了解非麦克斯韦边界条件之间的界面处的均匀介质和超材料/光子晶体与强空间色散。我们用数学的方法来描述这个模型。作为一个例子，用该模型计算了真空与简单光子晶体界面的散射矩阵。计算散射矩阵元的几个测试。最后，我们使用的散射模型的结果来假设可能的形式为非麦克斯韦边界条件。
2012-06-15 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Dynamic Kerr and Pockels Electro-Optics of Liquid Crystals in Nanopores for Active Photonic Metamaterials
具有基础材料无法实现的特性的光子超材料已经开始彻底改变光学元件设计。然而，它们的特殊特性通常是静态的，因为在制造过程中人工设计到材料中。这通常限制了它们在操作中可调节光学器件和有源光学器件中的应用。在这里，对于由注入液晶的纳米多孔固体组成的混合材料，我们通过施加平行于其圆柱形孔的长轴的交变电场来展示其超光学的主动和动态控制。第一谐波普克尔和第二谐波克尔双折射响应，强烈依赖于激发频率和温度，观察到的频率范围从50 Hz到50 kHz。这种奇特的行为定量跟踪的Landau-De Gennes自由能分析的有序-无序取向的棒状介晶和密切相关的变化，在固体壁上的单孔，元原子尺度上的分子迁移率和极性锚定的转变。因此，我们的研究表明，注入液晶的纳米孔表现出集成的多物理耦合和可逆的相变，使它们特别有前途的设计光子超材料的热电可调双折射在新兴领域的时空超材料，旨在完全时空控制光。
2021-07-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Self-assembled tunable photonic hyper-crystals
我们提出了一种新型的人工光学材料，光子超晶体，它结合了双曲型超材料和光子晶体的最有趣的功能。与双曲型超材料类似，光子超晶体由于光子波矢没有衍射极限而表现出光子态密度的宽带发散。另一方面，与光子晶体类似，非寻常光子的双曲型色散规律在布里渊区边界附近受到禁带的调制。通过对钴纳米颗粒基磁流体施加外加磁场，实现了光子超晶体的三维自组装。光子超晶体的独特光谱特性导致材料对钴纳米颗粒的单层涂层的极端敏感性，这应该在生物和化学传感中找到许多应用。
2013-12-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spin-controlled photonics via temporal anisotropy
基于时变本构特性的时间超材料为先进的场操纵提供了新的可能性。在这项研究中，我们探索的能力，各向异性的时间板，它依赖于突然变化的时间从各向同性到各向异性的响应（反之亦然）。我们的研究结果表明，这些平台可以有效地操纵波自旋维度，允许一系列有趣的自旋控制光子操作。我们证明了这些能力，通过自旋相关的模拟计算和自旋轨道相互作用的影响，涡流的产生的例子。这些结果为时间超材料领域提供了新的见解，并在通信，光学处理和量子技术中提出了潜在的应用。
2023-02-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Grating-graphene metamaterial as a platform for terahertz nonlinear photonics
非线性光学由于其与光学和光电技术的相关性和潜力，是科学和技术应用的一个日益重要的领域。目前，人们正在积极寻找具有有效转换和小材料足迹的合适的非线性材料系统。理想情况下，材料系统应该允许芯片集成和室温操作。二维材料在这方面非常有趣。特别有前途的是石墨烯，它在太赫兹范围内表现出非常大的非线性。然而，二维材料中的光-物质相互作用长度本质上是最小的，因此限制了整体非线性光学转换效率。在这里，我们克服了这一挑战，使用超材料平台，结合石墨烯与光子光栅结构提供场增强。我们测量太赫兹三次谐波产生在这种超材料，并获得一个有效的三阶非线性极化率的大小为3 $\cdot$ 10 $^{-8}$ m $^2$ /V $^2$，或21 esu，基频为0.7太赫兹。这种非线性比我们在没有光栅的情况下获得的石墨烯大50倍。这样的增强对应于具有由于光栅而大三个数量级的强度的三次谐波信号。此外，我们证明了场转换效率高达$\sim$ 1%的第三次谐波使用中等场强的$\sim$ 30 kV/cm。最后，我们表明，谐波超出第三次增强更强烈，使我们能够观察到高达9 $^{\rm th}$谐波的签名。因此，光栅-石墨烯超材料构成了商业上可行的、CMOS兼容的、室温的、芯片集成的THz非线性转换应用的杰出平台。
2020-09-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
New geometric receipts for design of photonic crystals and metamaterials: optimal toric packings
本文提出用正方形和三角形环面上的最优圆盘堆积作为光子晶体设计的新数学配方，可获得比传统质心 Voronoi 剖分更大的带隙，并据此引入两类新型周期结构。
2024-10-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Photonic transmittance in metallic and metamaterial Superlattices
我们在这里提出的电磁波通过金属和左手介质的层状结构的传输。基于有限周期系统的理论，我们表明，除了强烈的影响的入射角，一个单一的导体板的低传输特性，为低于等离子体频率$ω_p$的频率$ω$，成为在这一领域的高度振荡。类似地，在具有多个单胞的超晶格中，单个左手平板的公认的透射系数变得与超光速效应高度共振。我们确定了波包通过$λ/4$光子超晶格的时空演化，该光子超晶格的透射系数是一系列具有负相位时间的孤立且等距的峰。我们表明，一个高斯波包的时空演化，在任何这些峰值的质心，同意的理论预测，并没有违反因果关系的原则发生。我们发现，除了强烈的影响的入射角，体等离子体激元模式和界面表面等离子体激元的相干耦合导致振荡的透射系数，并依赖于奇偶性的超晶格的单元格$n$的数量，传输消失或放大作为导体宽度的增加。我们确定了波包通过$λ/4$光子超晶格时的时空演化，当光子超晶格的带宽变为可忽略时，透射系数变为一系列孤立的、等距离的负相位峰.我们表明，一个高斯波包的时空演化，在任何这些峰值的质心，同意的理论预测，并没有违反因果关系的原则发生。
2020-12-18 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Gain and plasmon dynamics in negative-index metamaterials
光子超材料允许一系列令人兴奋的应用无法实现与普通的光子晶体。然而，它们的元原子的金属性质可能导致增加的光学损耗。增益增强超材料是解决这个问题的一个潜在方案，但现实的三维设计的概念是一个具有挑战性的任务。从基本的电动力学和量子力学方程出发，我们建立并部署了一个严格的理论模型，用于光波与金属（纳米）结构和增益介质内部和周围的自由和束缚电子的空间和时间相互作用。导出的数值框架使我们能够自洽地研究相干等离子体增益相互作用，非线性饱和，场增强，辐射阻尼和空间色散的动力学和影响。利用数值泵浦-探测实验，我们研究了具有染料分子夹杂物的双鱼网超材料结构的反转轮廓的建立和低Q腔中等离子体激元模式的形成。我们发现，全损耗补偿发生在一个政权的超材料的有效折射率的实部变得更负相比，被动的情况下。我们的研究结果提供了一个深刻的洞察内部过程如何影响的整体光学性能的有源光子超材料培育新的方法来设计的实际损失补偿等离子体纳米结构。
2011-04-06 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Anisotropic Confinement of Chromophores Induces Second-Order Nonlinear Optics in a Nanoporous Photonic Metamaterial
二阶非线性光学是各种旨在对光进行主动操纵的器件的基础。然而，物理原理限制它的发生非中心对称，各向异性物质。这显著地限制了表现出非线性光学的基础材料的数量。在这里，我们表明，嵌入发色团在一个阵列中的锥形通道13纳米在单片二氧化硅结果介观各向异性物质，从而在混合材料显示二次谐波产生（SHG）。这种非线性光学相比，在电晕极化聚合物薄膜中实现的含有相同的发色团。它起源于约束诱导的取向秩序的细长的客体分子在纳米通道。这导致了非中心对称偶极序，从而导致了在亚波长、单孔尺度上的非线性光-物质相互作用。我们的研究表明，大规模的，自组织的纳米多孔性的整体固体的出现，以及在单孔尺度上的生色团的限制可控的取向顺序提供了一个可靠的和可访问的工具来设计具有非线性元光学材料。
2021-02-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Absorbing boundary condition for Bloch-Floquet eigenmodes
提出了一种适用于光子晶体和超材料电磁频域模拟的吸收边界条件。该边界条件可以同时吸收周期晶体的多个布洛赫-弗洛奎本征模，包括传播模和消逝模。所讨论的光子晶体或超材料可以包括有损耗的、有源的、各向异性的甚至双各向异性的内含物。吸收边界条件依赖于Bloch-Floquet本征模的正交性条件，这里给出了一个广义的版本。我们测试了这种吸收边界条件的数值和目前的结果。
2013-05-23 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Octonacci Photonic Crystals with Negative Refraction Index Materials
研究了一维光子准晶中$s$偏振（TE）和$p$偏振（TM）波的透射谱，该准晶由$_{2}$和\textit{metamaterials}交替层组成，按照Octonacci序列排列.利用麦克斯韦方程组和传输矩阵技术，导出了垂直和斜入射光场传输的透射谱。我们假设超材料的介电常数和磁导率为Drude-Lorentz型色散响应。对于垂直入射的光波，我们观察到光谱不具有自相似性和镜像对称性，并且也没有光学带隙。同样对于垂直入射波，当入射角$θ_{C} = 0^{\circ}$在特定频率范围内时，我们显示了全透射区域。
2016-11-23 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Highly tunable optical activity in planar achiral terahertz metamaterials
使用太赫兹时域光谱，我们证明了可调谐的偏振旋转和圆二色性在本质上非手性平面太赫兹超材料没有双重旋转对称。观察到的效果是由于非本征手性所产生的超材料平面的相互取向和入射太赫兹波的传播方向。
2010-06-02 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Sub-tesla on-chip nanomagnetic metamaterial platform for angle-resolved photoemission spectroscopy
Yale University（耶鲁大学）；Rice University（莱斯大学）；Boston College（波士顿学院）；Princeton University（普林斯顿大学）；University of Maine（缅因大学）；University of Minnesota（明尼苏达大学）；Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福同步辐射光源，SLAC国家加速器实验室）
本研究提出一种亚特斯拉级芯片内纳米磁性超材料平台，用于在强磁场下实现角度分辨光电子能谱学的高精度测量，为研究磁场依赖的电子结构和可调谐量子相提供新方法。
2025-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Probing the photonic local density of states with electron energy loss spectroscopy
电子能量损失谱（EELS）在透射电子显微镜中进行直接呈现光子局域态密度（LDOS）与前所未有的空间分辨率，目前低于纳米。详细讨论了两种特殊情况：（i）电子沿平移对称轴运动的二维光子结构和（ii）垂直入射下的准平面等离子体结构。一般的纳米光子学和等离子体激元学特别应该受益于这些结果，这些结果将EELS的无与伦比的空间分辨率与其探测光子LDOS等基本光学特性的能力联系起来。
2007-10-29 cond-mat.mtrl-sci
Self-Assembly of Liquid Crystals in Nanoporous Solids for Adaptive Photonic Metamaterials
纳米多孔介质表现出明显小于可见光波长的结构，因此可以用作光子超材料。它们的光学功能不是由基础材料的性质决定的，而是由精确的孔形状、几何形状和取向方面的定制的多尺度结构决定的。在孔隙空间中嵌入液晶提供了在单孔隙、元原子尺度上控制光-物质相互作用的额外机会。在这里，我们提出了依赖于温度的3D倒易空间映射使用同步加速器为基础的X射线衍射结合高分辨率双折射实验盘状介晶（HAT 6）吸收在自有序阵列的平行圆柱形孔17至160纳米在单片阳极氧化铝（AAO）。与Monte Carlo计算机模拟一致，我们观察到一个非常丰富的自组装行为，未知的散装状态。它包括各向同性的液体状态之间的过渡和线性列中的离散堆积，以及垂直和平行于孔轴的圆形同心环的形成。这些纹理转变支持光学双折射功能性，可通过孔径、孔表面接枝和温度在量值和符号上从正到负进行调节。我们的研究表明，单片固体中大规模自组织纳米孔隙的出现以及液晶物质在单孔尺度下的受限可控相行为提供了一种可靠且易于使用的工具来设计具有可调光学各向异性的材料，从而提供了多功能的途径来微调材料中偏振相关的光传播速度。这种可定制性是新兴的变革光学领域的核心，例如，可调节的光吸收器和极薄的超透镜。
2019-11-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
