Nonlinear Quantum Optics in Epsilon-Near-Zero Nanospheres: a Macroscopic Quantum Electrodynamics Approach
Faculty of Engineering and Natural Sciences, Tampere University（坦佩雷大学工程与自然科学学院）
本文提出基于宏观量子电动力学和共振态展开的理论框架，以三次谐波产生为例推导了ENZ纳米球中非线性过程的效率与量子涨落解析式，并探讨了其推广至任意量子非线性过程的方法。
2026-10-01 physics.optics
Unlocking the full potential of wave-matter nonlinear coupling in the epsilon-near-zero regime
近年来，非常规的超材料特性引发了电磁研究的革命，揭示了波-物质相互作用的新场景。非常小的介电常数是这种不寻常特征的主要例子，因为它产生了一种奇异的静态状态，其中电磁场在物理上很大的区域内空间缓慢变化。因此，所谓的ε近零超材料提供了一个理想的平台，可以操纵“拉伸”场的内部细节。在这里，我们从理论上证明，一个标准的非线性是能够操作这样的操纵点，即使是薄板产生一个显着的非线性脉冲变换，如果介电常数是非常小的场带宽内。预测的非共振释放的全非线性耦合产生的ε-近零条件不诉诸任何场增强机制，并开辟了新的途径，利用物质非线性转向辐射的超紧凑结构。
2015-07-10 physics.optics
Enhanced nonlinear refractive index in epsilon-near-zero materials
光的新传播机制来自于将介电常数调谐到极低值的能力。在这里，我们展示了一种通用的方法的基础上获得的ε近零（ENZ）制度的非线性折射率，这使得显着的光诱导的材料特性的变化的低线性介电常数值。实验结果表明，掺Al的ZnO（AZO）薄膜在1300 nm波长处的克尔非线性折射率（$n_2$）增加了6倍。这反过来又导致超快的光致折射率变化的顺序的统一，从而代表了一个新的范例非线性光学。
2016-05-17 physics.optics
All-optical active plasmonic devices with memory and power switching functionalities based on epsilon-near-zero nonlinear metamaterials
全光有源等离子体激元器件对于设计高效的纳米光子电路具有重要意义。我们从理论上提出并数值研究了一种有源等离子体激元器件，该器件由厚度小于100纳米的非线性ε近零超材料板组成，该板位于线性ε近零超材料衬底上。我们预测，在自由空间耦合配置，该设备，在低强度下工作，将显示等离子体介导的滞后行为，因为反射和入射光波之间的相位差原来是多值的，并依赖于激发过程的历史。这种滞后行为将允许将所提出的装置视为紧凑的存储器单元，其状态可通过测量由非线性等离子体波携带的所提及的相位差或功率来访问，所述功率也是多值的。由于多个等离子体激元功率包括正值和负值两者，因此该装置还将在沿着磁滞回线的每个跳跃处作为等离子体激元功率方向的开关操作。
2011-01-13 physics.optics
Two-peaked and flat-top perfect bright solitons in epsilon-near-zero nonlinear metamaterials: novel Kerr self-trapping mechanisms
我们分析研究横向磁（TM）空间亮孤子，麦克斯韦方程组的精确解，通过非线性超材料，其线性介电常数非常接近于零，其有效的非线性克尔参数可以定制，以实现标准材料中不可用的值。利用这一事实，在所考虑的介质中，线性和非线性偏振可以在可行的和现实的光强度相媲美，我们确定了两种新的自陷机制，能够支持双峰和平顶孤子，分别。具体而言，这两种新的机制是基于临界点的发生，在该临界点处的有效非线性介电常数消失，这两种机制的不同之处在于通过非标准值的非线性参数实现线性和非线性极化之间的补偿。
2010-11-16 physics.optics
Epsilon-near-zero plasmonic waveguides to enhance nonlinear coherent light-matter interactions
我们展示了一种在纳米尺度上相干控制光并通过使用ε近零（ENZ）等离子体波导实现相干完美吸收（CPA）的方法。所提出的波导在其截止频率处支持有效的ENZ响应，并且沿着其纳米通道具有强且均匀的场增强。CPA条件在ENZ频率下完全满足，令人惊讶的是，通过亚波长等离子体结构，在具有适当振幅和相位的两个反向传播平面波的照射下产生强CPA。此外，我们研究了所提出的ENZ等离子体配置的非线性响应，因为我们增加了入射波的输入强度。我们证明，CPA现象可以成为强度和相位依赖在这种情况下，导致新的可调谐全光开关和吸收设备。
2020-01-12 physics.optics
Low-damping epsilon-near-zero slabs: nonlinear and nonlocal optical properties
我们研究二次谐波产生，低阈值多稳态，全光开关，和固有的非局部效应，由于在ε-近零（ENZ）的超材料板的自由电子气压由圆柱形，等离子体纳米壳TM-偏振光照明。在ENZ频率范围内的阻尼补偿，通过使用内壳的电介质芯的增益介质，增强了非线性特性。反射被抑制，并且垂直于板界面的电场分量在有效伪布鲁斯特角附近增强，其中有效ε-近零条件触发非谐振阻抗匹配现象。我们发现，平板显示出很强的有效的，空间非局部性与泄漏模式介导的阻尼补偿。这些泄漏模式的存在，然后诱导进一步的光谱和角度的条件下，局部领域的增强，从而打开新的窗口的机会，增强非线性光学过程。
2013-02-11 physics.optics
An epsilon-near-zero-based nonlinear platform for ultrafast re-writable holography
University of Ottawa（渥太华大学）；Tampere University（坦佩雷大学）；University of Rochester（罗切斯特大学）；Yale University（耶鲁大学）；Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）
基于介电常数近零的ITO薄膜实现超快可重写全息术，展示高效光调制与快速原型设计能力。
2025-12-18 physics.optics
Tunable nonlinear coherent perfect absorption with epsilon-near-zero plasmonic waveguides
提出了一种利用近零等离激元波导实现纳米尺度非线性相干完全吸收的方案。分析并给出了线性ENZ等离子体波导中实现CPA的一般条件。所提出的ENZ波导在其截止频率处支持有效的ENZ响应，其中CPA效应在具有相等振幅和适当相位分布的两个反向传播平面波的照射下发生。此外，在ENZ共振下，波导的纳米通道内的强且均匀的场增强可以有效地增强克尔非线性，从而产生新的全光开关强度依赖CPA现象，其可以以超快速度调谐。所提出的自支撑ENZ结构将三阶非线性功能与纳米级等离子体配置中的驻波CPA干涉效应相结合，从而导致在亚波长区域中实现的新颖程度的可调谐光-物质相互作用。我们的研究结果提供了一个新的平台，以有效地激发非线性现象在纳米尺度和设计可调相干完美吸收。
2018-03-13 physics.optics
Nonlinear Quantum Electrodynamics of Epsilon-Near-Zero Nanocavities
本研究采用非微扰方法分析具有单光子Kerr型非线性的开放量子系统，推导并验证了ENZ亚波长纳米腔的单光子非线性折射率变化与频移的解析解，为量子技术应用建立了严格基准。
2025-07-29 physics.optics
Confinement-Induced Nonlocality and Optical Nonlinearity of Transdimensional Titanium Nitride in the Epsilon-Near-Zero Region
National Yang Ming Chiao Tung University（国立阳明交通大学）；National Tsing-Hua University（国立清华大学）；North Carolina Central University（北卡罗来纳中央大学）
本研究发现跨维钛氮在介电近零区域表现出显著增强的非线性吸收，揭示其作为高效非线性光学平台的潜力。
2025-12-17 physics.optics
Two-parameters electromagnetic hysteresis of a subwavelength nonlinear epsilon-near-zero slab
我们考虑横向磁电磁波通过一个非线性超材料板，亚波长的厚度和非常小的平均介电常数，由交替的金属和电介质非线性层的传播。利用有效介质方法，证明了输出场强是输入场强和入射角的多值函数，从而使透射光具有一种新的多稳定性和明显的双参数滞后行为.预测的两个参数的滞后物理源于这样的事实，即，由于线性和非线性的贡献，整体介电响应可以是可比的，板可以主机一个以上的电磁配置兼容的入射场和边界条件，无论板的厚度。我们调查板传输也通过全波模拟证明了两个参数的滞后超出有效介质近似的鲁棒性。
2010-06-09 physics.optics
Hybridization of Epsilon-Near-Zero Modes via Resonant Tunneling in Layered Metal/Insulator Double Nanocavities
多个纳米腔之间的耦合导致其模式的杂交。堆叠的金属/绝缘体/金属（MIM）纳米腔构成了一个高度通用的和非常有趣的模型系统，以研究和工程这样的模式耦合，因为它们可以实现光刻免费的制造方法与精细控制的光学和几何参数。这种MIM腔的谐振模式是ε近零（ENZ）谐振，这对于非线性光学物理和各种应用是有吸引力的。在这里，我们研究了MIMIM纳米腔中ENZ共振的杂交，获得了非常大的模式分裂，达到0.477 eV，在可见光谱范围内的40的数量级的Q因子，并通过调节电介质和金属层的厚度来精细控制共振波长和模式线宽。一个半经典的方法，分析MIMIM结构作为一个双量子阱系统允许导出精确的解析色散关系的ENZ共振，实现完美的协议与数值模拟和实验。有趣的是，对称MIMIM腔中的模式分裂的不对称性并没有反映在耦合振荡器的经典模型中，这可能与两个腔耦合的量子力学隧穿直接相关。将腔共振解释为共振隧穿模式阐明了无需动量匹配技术即可激发。高质量ENZ共振的广泛可调谐性及其强耦合效率使这种MIMIM腔成为探索光-物质相互作用的理想平台，例如，通过在介电层中集成量子发射器。
2020-04-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Field theory description of the non-perturbative optical nonlinearity of epsilon-near-zero media
提出基于Feynman路径积分与Born-Infeld拉格朗日量的非微扰场论，描述ENZ及ITO介质的强光学非线性与饱和效应。
2023-12-07 physics.optics
Absorptive loss and band non-parabolicity as a physical origin of large nonlinearity in epsilon-near-zero materials
几十年来，非线性光学一直被用于以独特的方式控制光的频率和传播，从而实现了广泛的应用，例如超快激光、亚波长成像和新颖的传感方法。通过这一点，该领域研究的一个关键线索一直是开发新的和改进的非线性材料，以增强这些应用。最近，ε近零（ENZ）材料已经成为增强非线性相互作用的潜在平台，这在很大程度上是由于文献中已经证明的亚微米厚膜的极端折射率调谐（Δn~ 0.1 - 1）。尽管实验取得了成功，但该理论已经落后，需要指导未来的实验工作。在这里，我们构建了一个理论框架的强度依赖的折射率最流行的ENZ材料，重杂质半导体。我们表明，当激发低于带隙的非线性，是由于修改的有效质量的电子海产生的等离子体频率的偏移。我们讨论了激发条件和材料选择（如材料损耗，能带结构和折射率色散）的优化趋势和权衡，并提供了一个品质因数，通过它可以评估未来材料的性能。通过阐明非线性的框架，我们希望推动未来的应用在这个不断增长的领域。
2020-03-31 physics.optics
Nonreciprocal Transmission in Nonlinear PT-Symmetric Metamaterials Using Epsilon-near-Zero Media Doped with Defects
非互易传输形成了光二极管和隔离器的基本工作机制，需要打破洛伦兹互易定律。在这项工作中，强非互易传输证明了通过使用紧凑的非线性宇称时间（PT）对称系统的基础上的ε近零（ENZ）材料光子掺杂的增益和损耗的缺陷和分离的空气隙。由于缺陷中的强电场限制，该可缩放配置的非线性响应在相对低的光强度下被触发。从相反的入射方向激发时实现的极端不对称的场分布，结合所提出的系统的增强的非线性特性，导致显着的自感非互易传输。级联配置与优化的几何尺寸用于实现自诱导非互易传输与最大的对比度，理想的设计新的全光二极管。所提出的鲁棒非互易响应发生在一个频率稍微偏离异常点，但没有打破PT对称相位，不同的相比，以前的作品。这项工作的结果可以有大量的应用，如非互易性涂层，用于保护源或其他敏感设备免受外部脉冲信号，循环器和隔离器。
2019-07-30 physics.optics
Third Harmonic Generation in Transparent Longitudinal Epsilon-Near-Zero Multilayers
Heriot-Watt University（赫瑞-瓦特大学）；Università degli Studi di Brescia（布雷西亚大学）；U.S. Army Space and Missile Defense Command（美国陆军太空与导弹防御司令部）；University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）
本文提出了一种透明纵向介电接近零多层结构，通过实现宽波段高泵浦传输和增强的非线性效应，实现了高效的三阶谐波产生，克服了传统ENZ材料的高吸收问题。
2025-12-15 physics.optics
Strong self-induced nonreciprocal transmission by using nonlinear PT-symmetric epsilon-near-zero metamaterials
非互易传输是单向波传播现象背后的基本过程。在我们的工作中，一个紧凑和实用的宇称时间（PT）对称的超材料设计的基础上，两个碳化硅（SiC）介质由一个空气隙和光子掺杂的增益和损耗缺陷。我们证明了一个例外点（EP）是在这个PT对称系统中形成的SiC作为一个实用的ε近零（ENZ）材料时，并考虑到其适度的光损耗。此外，甚至更重要的是，由于非线性克尔效应，在稍微偏离EP的频率处激发强自感非互易传输，但不破坏PT对称相位。从一个方向的透射率是完全一致的，而从另一个方向的透射率降低到非常低的值，实现非常高的光学隔离。与无源非线性非互易谐振器相比，所提出的有源非线性超材料克服了非互易性的基本物理界限。强烈的自感非互易传输来自于从相反入射方向激发时实现的极端非对称场分布。缺陷中电场的显著增强有效地降低了触发所呈现的非线性响应所需的光功率。这项工作可以有大量的应用，如用于保护源或其他敏感设备免受外部脉冲信号，循环器和隔离器的非互易性涂层。
2020-03-03 physics.optics
Enhanced Nonlinear Optical Responses of Layered Epsilon-Near-Zero Metamaterials at Visible Frequencies
具有零介电常数的光学材料，称为ε近零（ENZ）材料，已经被证明在其ENZ区域具有增强的非线性光学响应。这些强非线性光学性质已经在均匀材料中牢固地建立起来;然而，目前还不清楚具有有效光学参数的超材料是否可以表现出类似的增强。在这里，我们探测由交替的Ag和SiO $_2$层的亚波长周期性堆叠组成的光学ENZ超材料，并在其有效零介电常数波长处测量非线性折射率$n_2 = (1.2 \pm 0.1) \times 10^{-12}$ m $^2$ /W和非线性吸收系数$β= (-1.5 \pm 0.2) \times 10^{-5}$ m/W。测得的$n_2$是熔融石英的$n_2$的$10^7$倍，是银的$n_2$的4倍。我们观察到，在$n_2$的非线性增强尺度为$1/(n_0 \mathrm{Re}[n_0])$，其中$n_0$是线性有效折射率。与均匀ENZ材料相反，其光学性质由其固有材料性质决定，因此不能广泛调谐，通过选择亚波长层的正确厚度，可以将所展示的超材料的零介电常数波长选择为位于可见光谱内的任何地方。因此，我们的结果提供了一种设计具有大非线性的超材料的方法，用于任何指定光波长的纳米光子学应用。
2021-02-24 physics.optics
Nonlinear dielectric epsilon near-zero hybrid nanogap antennas
本文研究在GaP纳米盘中心嵌入ITO薄层的混合纳米间隙天线，利用高折射率对比实现强场限制，在保持线性响应相似的同时增强二次和三次谐波，并通过非线性磁化率测量为高效非线性纳米器件设计提供指导。
2023-08-14 physics.optics
Switching Purcell effect with nonlinear epsilon-near-zero media
光学拓扑转变被定义为在ε近零（ENZ）频率附近的光子晶体表面的变化，其可以显著地改变放置在超材料板附近的量子发射器的自发发射。在这里，我们表明，由于在ENZ频率的强克尔非线性，高功率脉冲可以诱导等频色散曲线的拓扑结构的突然转变，导致传播以及倏逝波通过超材料板的传输的显着变化。该倏逝波开关效应允许通过Purcell效应的调制来控制自发发射。我们开发了增强的ENZ介质的非线性响应的s和p偏振输入的理论，并表明，这种非线性效应是更强的p偏振，几乎是独立的入射角。我们进行时域有限差分（FDTD）模拟，以证明超材料板的瞬态响应的超快脉冲和快速开关的Purcell效应在亚皮秒尺度。在ENZ处的Purcell因子变化几乎为3倍，这比远离ENZ处的变化强一个数量级。我们还表明，由于多层金属-介质超晶格内部的空间场分布的不均匀性，一个独特的空间拓扑过渡的超材料可以通过控制脉冲诱导的非线性。我们的工作可以导致ENZ超材料中量子现象的超快速控制。
2018-07-06 physics.optics
Superscattering, Superabsorption, and Nonreciprocity in Nonlinear Antennas
我们提出了可调谐非线性天线的基础上的ε-近零材料具有较大的光学非线性。通过改变激光束的强度，可以动态地控制天线的吸收和散射截面，使其从近超散射体变为近超吸收体。此外，我们证明了一个混合非线性天线，由ε-近零和高折射率的电介质材料，表现出非互易的辐射模式，因为破缺的空间反演对称性和大的光学非线性的ε-近零材料。通过改变激光的强度，天线的辐射模式可以在双向和单向发射之间进行调谐，称为惠更斯源。我们的研究为超材料的超快动力学控制提供了一种新的方法，用于光束转向和光限幅等应用。
2020-10-04 physics.optics
Optical isolation via unidirectional resonant photon tunneling
我们表明，三层结构相结合的ε-负和磁光材料层可以表现出单向共振光子隧穿现象，可以区分圆偏振（CP）波给定的手从相反的方向冲击，或CP波与不同的手从同一方向冲击。这一物理原理也可以用法布里-珀罗型谐振来解释，可以用来设计紧凑的CP波光隔离器。在此框架内，我们推导出简单的分析条件和设计公式，并定量评估的隔离性能，也考虑到不可避免的缺陷和非理想性。
2013-12-28 physics.optics
A Semi-Classical View on Epsilon-Near-Zero Resonant Tunneling Modes in Metal/Insulator/Metal Nanocavities
金属/绝缘体/金属纳米腔（MIM）是用于纳米光限制和波导的高度通用的系统，并且它们的光学性质主要根据表面等离子体激元来解释。虽然经典电磁理论准确地描述了它们的行为，但它往往缺乏物理洞察力，使光与这些结构相互作用的一些基本方面未被探索。在这项工作中，我们阐述了一个量子力学描述的MIM腔作为一个双势垒量子阱。我们将金属折射率虚部的平方确定为光学势，发现当n/ \k{appa}之比超过一定的极限时，MIM腔共振被抑制，这表明低n和高\k{appa}是强而尖锐的腔共振所需要的.有趣的是，腔模抑制的光谱区域对应于金属的带间跃迁，其中光学过程本质上是非厄米的。量子处理允许描述光子的隧道效应，并揭示了MIM腔共振可以通过经由穿过金属的照明的共振隧穿来激发，而不需要诸如棱镜或光栅耦合器的动量匹配技术。通过结合这种分析与实验MIM结构的光谱椭圆偏振，并通过开发一个简单的谐振子模型的MIM计算其有效介电常数，我们表明，腔本征模符合低损耗零的有效介电常数。
2020-04-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Ultra-broadband supercontinuum generation in gas-filled photonic-crystal fibers: The epsilon-near-zero regime
在这封信中，我们从理论上表明，惰性气体内的空心光子晶体光纤的非线性光电离过程可以利用在获得宽带超连续产生通过泵浦接近中红外制度。在这种情况下，克尔非线性和光电离非线性之间的相互作用大大增强。光电离连续修改介质色散，其中折射率开始显著降低并接近ε近零状态。随后，由于伴随的慢光效应，由克尔效应引起的自相位调制被增强。作为这种相互作用的结果，获得包括具有多个色散波发射的宽带光的输出光谱。
2020-12-02 physics.optics
Extremely Large Nondegenerate Nonlinear Index and Phase Shift in Epsilon-Near-Zero Materials
近零ε（ENZ）材料已成为强非线性光学（NLO）相互作用的可行平台。表现出ENZ条件的材料中的NLO相移是非常大的，然而，这种现象的幅度和时间动态的直接实验测量，特别是非简并NLO相移，迄今为止一直缺乏。在这里，我们使用三种不同的技术直接测量氧化铟锡（ITO）薄膜的非线性光学相移。通过表征激发诱导的，时间分辨的光束偏转（BD）的探测光束，我们测量的非简并非线性光学效应，允许一个单独的确定激发和探测波长对非线性光学相移的影响，因为它们是不同的整个ENZ区域。这些实验表明，具有中心在ENZ的探测脉冲极大地有助于这种增强;然而，NLO相移对激发波长不太敏感，这仅略微增强了倾斜入射的TM-偏振光的非线性。我们还发现，由激发引起的探测脉冲的谱移遵循通过BD实验测量的NLO相移的幅度和时间动态。我们观察到大的，超快的交叉相位调制与导带中的载流子的重新分布一致。最后利用Z扫描方法测量了ENZ近垂直入射的简并非线性折射率。所有三个测量的结果一致，揭示了一个巨大的亚皮秒非线性光学相移在ITO。在其最大值时，我们始终测量到大于线性折射率的有效诱导折射率变化。
2022-05-27 physics.optics
Quantum Theory of Third-harmonic Generation in Epsilon-Near-Zero Materials
Tampere University（坦佩雷大学）；Boston University（波士顿大学）
本研究提出基于格林张量量子化的理论框架，推导ENZ材料三次谐波产生效率的解析解，经ITO纳米层实验验证，为量子非线性过程提供有效模型，可应用于多种量子相关领域。
2026-09-01 physics.optics
Broad frequency shift of parametric processes in Epsilon-Near-Zero time-varying media
短脉冲激光引起的材料性质的超快变化会导致反射和透射辐射的频率偏移。最近的报告强调了这样的频移是如何在材料的介电常数实部接近零的光谱区域中增强的。在这里，我们调查的频率偏移所产生的四波混频与非线性偏振振荡的两倍的泵浦频率的字段。在我们的实验中，我们观察到超过60 nm的频率偏移（相比脉冲宽度约40 nm）的相位共轭辐射产生的500 nm的掺铒氧化锌（AZO）薄膜泵浦接近ε-近零波长。我们的结果表明，时变介质的应用非线性光学和频率转换。
2019-11-29 physics.optics
Bistable all-optical devices based on nonlinear epsilon-near-zero (ENZ) materials
非线性光学系统是下一代光网络和光子神经系统的关键使能技术，在光逻辑和信息处理中具有许多潜在的应用。在这里，我们提出了一种新双稳态无谐振腔的全光波导器件的基础上，铟锡氧化物作为非线性ε近零材料提供了一个成本效益和高性能的二元光子平台。该器件的突出特点是与硅光子学兼容，使亚皮秒的操作速度与适度的开关功率。该器件可以充当忆阻器或晶闸管的光学模拟物，并且可以成为不需要OEO转换的光子神经网络的使能元件。
2022-09-19 cs.ET physics.optics
All-optical modulation in wavelength-sized epsilon-near-zero media
本文研究了两束光脉冲（泵浦光和探测光）在厚度与非线性近零介质（ENZ）波长相当的ENZ平板上散射时的相互作用。我们表明，当探针有一个狭窄的光谱定位在ENZ波长的传输是显着的泵浦强度的影响。相反地，如果探针不在ENZ区域中，则其传播不受泵浦的显著影响。这种全光调制是由于ENZ机制的过度敏感特性，并且即使在波长厚的板中也是如此有效。
2016-04-04 physics.optics
Optical Tunneling through Arbitrarily-Shaped Plasmonic Channels and Sharp Bends
我们提出了一种机制，通过任意形状的等离子体超箭头通道和弯曲连接两个较大的等离子体金属-绝缘体-金属波导的光能压缩和异常光隧穿。它示出了如何适当的设计，在截止的亚波长光通道，图案化的等离子体植入物和连接较大的等离子体波导，可以允许增强的谐振传输，灵感来自ε-近零（ENZ）超材料的异常特性。共振隧穿被示出为仅弱依赖于通道长度和其特定的几何形状，如可能存在的反射和弯曲。
2008-05-12 physics.class-ph physics.optics
Nonreciprocal ENZ-Dielectric Bilayers: Enhancement of Nonreciprocity from a Nonlinear Transparent Conducting Oxide Thin Film at Epsilon-Near-Zero (ENZ) Frequency
本文提出利用ITO薄膜在ENZ频率下的强非线性响应构建硅光子双层非互易器件，通过数值模拟确定最佳工作点和最大非互易透射比上限略高于2。
2021-08-20 physics.app-ph physics.optics
Understanding the nonlinear optical response of epsilon near zero materials in the time-domain
该研究开发了透明导电氧化物非线性光学响应的自洽时域模型，并验证了基于ITO的超表面显著增强非线性响应，实现了近零介电常数材料的定量纳米光子学设计。
2021-10-27 physics.comp-ph physics.optics
Organic metallic epsilon-near-zero materials with large ultrafast optical nonlinearity
ε-近零（ENZ）材料由于其超快热载流子和随之而来的光学非线性增强而在非线性光学应用中显示出巨大的潜力。通过极性溶剂处理和退火处理，改性的聚（3，4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）薄膜显示出金属特性，其ENZ波长接近1550 nm。金属PEDOT膜表现出与金相当的固有光学非线性响应，并且由于π共轭离域电子而比典型的无机半导体ENZ材料高100倍。热载流子在1550 nm处使金属PEDOT膜的光学非线性系数增加22倍。金属PEDOT薄膜中的热空穴比无机ENZ材料中的热电子具有更小的载流子温度增强倍数和更长的弛豫时间，这是由于更大的虚介电常数和用于载流子冷却的热声子瓶颈。我们的研究结果表明，与无机ENZ材料相比，π-共轭ENZ聚合物可能具有独特的超快和非线性光学性质，从而在片上纳米光子器件，非线性光学和等离子体激元学中实现新的可能性。
2022-10-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Polarization-entangled photon pair generation from an epsilon-near-zero metasurface
本文提出一种与 ENZ 材料强耦合的 68 nm 等离激元超表面，通过调控二阶非线性极化率张量，在无需额外元件的情况下高效产生偏振纠缠 Bell 态。
2024-06-13 physics.optics
Self-organization of frozen light in near-zero-index media with cubic nonlinearity
从理论上证明了立方非线性近零折射率介质中冻结光的存在性。由于发散的波长和消失的群速度，光被停止到静止状态，通过非线性有效地呈现出一个正折射率捕获腔，该腔被刻在一个稍微负折射率的介质中。通过数值求解麦克斯韦方程组，我们发现了一个孤立的家庭仍然方位甜甜圈，我们进一步研究，通过绝热微扰理论，描述孤子在损耗介质中的蒸发或冷凝在积极泵浦材料。我们的研究结果表明，在光学数据处理和存储，量子光存储器，和基于孤子的激光器没有腔的应用。此外，在行星际介质和大气中也可以发现近零折射率条件，在那里我们为罕见的球形闪电现象提供了另一种解释。
2015-07-15 physics.optics
Enhanced Nonlinearity of Epsilon-Near-Zero Indium Tin Oxide Nanolayers with Tamm Plasmon-Polariton States
提出利用SiO2/SiN Tamm等离激元-极化子结构增强30 nm厚ITO纳米层的非线性折射率变化，通过Z扫描等手段证明其非微扰区级别的非线性增强，为高效红外器件奠定基础。
2023-09-15 physics.app-ph physics.optics
Nonlinear dynamical tunneling of optical whispering gallery modes in the presence of a Kerr nonlinearity
利用耦合回音壁模研究了光学微腔中克尔非线性效应对动态隧穿的影响。我们选择的模型系统是“分插滤波器”，它包括一个光学微腔和两个耦合到腔的波导。由于倏逝场在波导上的散射，微腔中的回音壁模形成双峰，其在光谱中表现为分裂。由于这些双峰可以被看作是两个不同的动态状态之间的动态隧穿与空间重叠的光谱特征，克尔非线性对双峰的影响进行了数值研究的立方非线性和动态隧穿之间的关系在更一般的上下文中。在数值实现的模型系统，它是观察到的双峰显示在其传输曲线的克尔非线性腔中的增加的一个转折。同时，一个旋转模式在传输中变得比另一个占主导地位，因为双重态中的两个状态具有不均匀的线宽。通过使用耦合模理论，基本模式动力学的现象的理论建模和澄清。
2015-12-15 physics.optics
Second Harmonic Generation from Phononic Epsilon-Near-Zero Berreman Modes in Ultrathin Polar Crystal Films
预测在近零（ENZ）附近的频率下，在薄膜中的Berreman模式会发生巨大的光场增强。在这里，我们报告的第一个实验证明了这一预测在中红外探测共振增强二次谐波产生（SHG）在纵向光学声子频率从深亚波长薄氮化铝（AlN）膜。采用传输矩阵的形式主义，我们表明，场增强是完全本地化的AlN层内，揭示所观察到的贝尔曼模式的SHG信号是唯一产生的AlN膜。我们的研究结果表明，ENZ Berreman模式在固有的低损耗极性电介质晶体构成了一个有前途的平台，非线性纳米光子应用。
2019-06-06 physics.optics
High-fidelity spatial information transfer through dynamic scattering media by an epsilon-near-zero time-gate
本研究利用ITO薄膜在ENZ波长处的非线性光学响应实现亚皮秒时间门，通过保留弹道光子消除散射影响，实现高保真空间信息传输，并显著降低闪烁，适用于体内成像和自由空间光通信。
2025-03-27 physics.optics
Second-harmonic generation enhancement in monolayer transition-metal dichalcogenides by an epsilon-near-zero substrate
单层过渡金属二硫属化物（TMDC）呈现高的二阶光学非线性，这对于例如，非线性光子器件中的频率转换。另一方面，2D材料的原子厚度自然导致低频率转换强度，突出了设计增强实际应用的非线性响应的结构的重要性。已经报道了依赖于复杂的等离子体和/或超颖表面结构来增加2D材料处的泵浦电场的许多方法。在这里，我们利用这样一个事实，即具有低折射率的非结构化基板自然最大化的泵浦场在介电界面，提供了一个简单的手段，以促进增强非线性光学效应。特别是，我们测量了二次谐波产生（SHG）在二硫化钼和WS 2的氟锡氧化物（FTO），它提出了一个ε近零点附近我们的1550 nm的泵浦波长。偏振SHG测量揭示了FTO上的SHG强度比玻璃基板上高一个数量级。
2020-11-16 cond-mat.mes-hall physics.optics
Effective Quantization of Lossy Nonlinear Epsilon-Near-Zero Media
Harvard University（哈佛大学）；Michigan Technological University（密歇根理工大学）；St. Louis University（圣路易斯大学）
针对介电常数近零材料中传统量子化失效的问题，提出首个有效单激发量子化方法，将线性响应、非线性与损耗统一描述为极化激元，为量子光子学应用奠定基础。
2026-09-14 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Self-interaction of ultrashort pulses in an epsilon-near-zero nonlinear material at the telecom wavelength
数值研究了飞秒脉冲在高色散、高非线性的氧化铟锡（ITO）ε近零（ENZ）材料亚波长层中随电信载波波长的动力学行为。由于ITO ENZ材料的亚波长厚度，以及脉冲的传播时间短于其时间宽度的事实，多次反射在光谱域和时间域中引起自相互作用，特别是在比ENZ点更长的波长处，在ENZ点处反射明显更强。脉冲啁啾的较大绝对值通过在波长之间重新分配能量而强烈地影响自相互作用，而啁啾的符号影响时域中的相互作用。还发现，当两个相同的脉冲从两端同时发射时，可以建立驻波状态的亚波长对应物。它显示了强大的能量定位在样品的中间，在光谱和时间强度分布方面。
2019-11-27 nlin.PS physics.optics
Mid-Infrared Single-Photon Detection via Enhanced Cross-Phase Modulation in Topology-Optimized Epsilon-Near-Zero Dual-Wavelength Nanocavities
Boston University（波士顿大学）；Tampere University（坦佩雷大学）
研究通过格林张量量化理论，在双波长纳米腔中实现中红外单光子探测的交叉相位调制过程，得到可实现的XPM频移公式，经有限元模拟验证可行性，为中红外单光子非线性器件工程设计建立基准。
2026-08-25 physics.optics
Tunneling mediated by conical waves in a 1D lattice
一维布拉格诱导带隙系统中三维波包的非线性传播表明，横向效应（自由空间衍射）影响周期性和非线性的相互作用，导致快速和慢速锥形局域波的自发形成。这种激发对应于增强的非线性传输（隧穿）的间隙中，具有独特的功能，不同的两个边缘的带隙，所规定的本地化波的全色散关系。
2007-09-13 physics.optics
Excitation of epsilon-near-zero resonance in ultra-thin indium tin oxide shell embedded nanostructured optical fiber
我们报道了一种新型的光波导设计的空心阶跃折射率光纤修改与铟锡氧化物（ITO）薄层。我们示出了高度受限的波导模式的激发在建议的光纤附近的波长，其中ITO的介电常数接近零。由于光纤内部薄ITO壳内的高场限制，ε近零（ENZ）模式可以由混合波导的模式损耗中的峰值来表征。结果表明，这种光纤内ENZ模的激发是由于导芯模与薄膜ENZ模的耦合。我们还表明，相位匹配的波长，耦合发生的地方，取决于光纤的中心孔内的成分的折射率。这些ENZ纳米结构光纤具有许多潜在的应用，例如，在ENZ非线性和磁光，作为光纤内波长相关的滤波器，以及作为光学和生物光子传感的亚波长流体通道。
2017-12-21 physics.optics
Highly efficient second-harmonic generation from indefinite epsilon-near-zero slabs of subwavelength thickness
我们从理论上预测了有效的光学二次谐波产生（SHG）从几百纳米厚的板组成的二次非线性各向异性介质的线性主折射率是，在基本波长，非常小，并有不同的符号（不定介质）。我们证明，通过用p偏振基波（强度为几个MW/cm ^2）照射平板，当满足基波线性完全透明的条件时，会发生二次谐波场的高效散射。SHG过程的高效率源于垂直于板表面的纵向场的大的非等离子体激元增强，其由非常小的板介电常数值产生。提出并数值设计了一种合适的纳米结构复合材料，用于观察纳米结构的非相位匹配和高效倍频过程。
2011-03-15 physics.optics
Optically induced metal-to-dielectric transition in Epsilon-Near-Zero metamaterials
ε近零材料表现出介电常数实部随波长从正值到负值的转变。在这里，我们研究金属-电介质层状超材料的均匀制度（每层具有强烈的亚波长厚度）与零实部的介电常数在近红外区域。通过光学泵浦的超材料，我们实验表明，接近ε等于零（EEZ）的波长的介电常数表现出显着的过渡，从金属（负介电常数）的电介质（正介电常数）作为光功率的函数。值得注意的是，这种转变作为泵浦功率的函数是线性的，并且发生在100 fs泵浦脉冲的量级的时间尺度上，其不需要被调谐到特定波长。介电常数增加的线性度允许我们以标准三阶光学非线性来表达超材料的响应：这显示了在穿过EEZ波长时实部和虚部的作用的明确反转，进一步支持超材料的物理行为中的光学诱导变化。
2016-01-26 physics.optics
Individual Nanostructures in an Epsilon-Near-Zero Material Probed with 3D-Sculpted Light
该研究结合实验与数值模拟，利用三维结构光束探测 ENZ 材料中单个纳米结构的光学响应，揭示其偏振可控的近场增强机制及超快纳米开关潜力。
2024-09-09 physics.optics
Nonlinearity Reversal in Epsilon-Near-Zero Indium Tin Oxide Driven by Few-Cycle Light Pulse
Birck Nanotechnology Center, Purdue University（普渡大学比尔克纳米技术中心）；Institute of Photonics and Quantum Sciences, Heriot-Watt University（爱丁堡赫瑞-瓦特大学光子与量子科学研究所）
利用少周期泵浦激光脉冲（亚8飞秒）在低于损伤阈值的光通量下实现超高强度，观察到氧化铟锡在近零介电常数区的光学响应趋势反转，提出双光子吸收模型解释该现象。
2026-06-11 physics.optics
Field-enhancement and nonlocal effects in epsilon-near-zero photonic gap antennas
本文实验展示嵌入ITO薄片的ENZ光子间隙天线，其混合模式可高效耦合自由空间并大幅增强电场，通过THG观测到未预测尖峰，证明ENZ材料非局域效应的重要性及ENZ PGA的应用潜力。
2025-02-03 physics.optics
Tailoring the Thickness-Dependent Optical Properties of Conducting Nitrides and Oxides for Epsilon-Near-Zero-Enhanced Photonic Applications
新兴的光子材料-导电氮化物和氧化物-的独特性质，特别是它们的可定制性，大的损伤阈值，以及所谓的ε近零（ENZ）行为，使新的光子现象跨越光学电路，可调超颖表面和非线性光学器件。这项工作探讨了直接控制的多晶氮化钛（TiN）和铝掺杂氧化锌（AZO）的光学性能，通过定制的薄膜厚度，和他们的潜力ENZ增强的光子应用。我们表明，氮化钛AZO双层作为Ferrell Berreman超颖表面厚度可剪裁的ε近零共振的AZO薄膜中操作的电信波长从1470到1750 nm。双层堆叠也充当强光吸收器在紫外线制度采用辐射ENZ模式和法布里-珀罗模式的组成TiN膜。所研究的Berreman超颖表面表现出15%的光致反射调制与皮秒响应时间。结合导电氧化物和氮化物的光学响应可定制性，利用可调谐ENZ区域附近的场增强可以实现广泛的非线性光学现象，包括全光开关，时间折射和高次谐波产生。
2022-03-26 physics.app-ph physics.optics
Nonreciprocal metasurfaces with epsilon-near-zero materials
本研究展示了一种基于氧化铟锡介电常数近零区域的超快非互易超表面，工作在1200-1300纳米波段，实现幅度和相位非互易，为纳米尺度波前控制开辟新途径。
2025-01-23 physics.app-ph physics.optics
Optical time reversal from time-dependent Epsilon-Near-Zero media
具有空间均匀但随时间变化的光学响应的材料具有从无磁场光学隔离器到量子场论的基础研究的应用范围。然而，这些效应通常仅与在光频率下振荡的时间变化相关，因此呈现严重限制这种条件的实现的显著障碍。在这里，我们提出了一种薄膜材料，其介电常数在光学频率下脉动（在空间中均匀），并实现了Pendry最初提出的形式的时间反转介质[Science 322，71（2008）]。我们使用基于Al掺杂的氧化锌（AZO）的500 nm厚的ε近零（ENZ）材料的光泵浦膜。入射的探测光束通过反射的相位共轭光束既发生负折射又发生时间反转。由于ENZ膜的高非线性和接近于零的折射率，ENZ膜导致具有近单位效率和大于单位内转换效率的时间反转光束（同时负折射和相位共轭）。因此，ENZ平台提供了有效的亚波长成像、全光隔离器和基础量子场论研究等所需的时间反演功能。
2017-09-20 physics.optics
