Giant nonlinearity of carbon nanotubes in a photonic metamaterial
超材料，人工介质结构上的亚波长尺度提供了一个丰富的范例，开发独特的光子功能，从负折射率和方向不对称传输慢光。在这里，我们证明了碳纳米管与光子超材料的组合提供了一个新的范例，为非线性介质的发展具有非常强的超快非线性响应在光子应用中非常宝贵。它是由弱辐射Fano型共振等离子体激元模式和单壁半导体碳纳米管的激子响应之间的强耦合支撑的。使用“组合”的方法来发现材料，我们表明，这样的复合系统的光学响应可以定制和优化的超材料设计。
2009-12-03 physics.optics
Interaction of orthogonal-polarized waves in 1D metamaterial with Kerr nonlinearity
对一维超材料中波的传播进行了理论研究。利用广义非线性和色散的投影算子方法，导出了考虑两个极化的电磁波的非线性演化方程组。该系统描述了具有给定偏振的相反方向的波的相互作用。克尔非线性和德鲁德色散的特殊情况下被认为是。在这样的近似中，它导致相应的非线性方程组，推广了Schäfer-Wayne方程组。在慢变化的信封的情况下，特定的解决方案被发现，绘制和分析千兆赫兹范围内。得到了正交偏振波相互作用方程组的行波解，并给出了相应的非线性色散关系的显式表达式。
2018-02-26 physics.optics
Can Second-Order Nonlinearity in Metal-Dielectric Metamaterials Pave a Way Toward Elusive Photonic Time Crystals?
Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
研究探讨金属-电介质超材料中二阶非线性能否助力光子时间晶体实现。提出利用ε近零半导体-银超材料的超快二阶非线性的平台，通过低损耗和偏振选择性泵浦，在特定泵浦功率下可打开宽动量带隙并实现净参量增益，为光学光子时间晶体实现提供途径。
2026-07-28 physics.optics
Temporal synthesis of optical nonlinearity through synergy of spectrally-tuneable electron and phonon dynamics in a metamaterial
本文实验证明在镜面结构超材料中，通过激发波长调控热电子与声子动力学协同作用，可在低于300飞秒内实现光谱选择性、偏振敏感的可调非线性光开关，为快速时变介质和非线性应用开辟新途径。
2024-11-25 physics.optics
Spatial nonlinearity in anisotropic metamaterial plasmonic slot waveguides
研究了由具有正克尔型非线性的各向异性材料芯和两个半无限金属区域构成的等离子体缝隙波导的主要非线性解。首先，我们表明，对于一个高度各向异性的对角椭圆形核心，非对称模式的分叉阈值从GW/m的各向同性的情况下的阈值降低到50 MW/m的一个表示强烈增强的空间非线性效应，和非对称模式的色散曲线的斜率保持正值，至少在分叉附近，这表明一个稳定的模式。其次，我们表明，对于双曲的情况下，没有物理意义的非对称模式，有效的非线性的符号可以成为负的。
2016-09-06 nlin.PS physics.optics
Modulation instability of structured-light beams in negative-index metamaterials
各向同性负折射率超材料的一个最基本的性质，即坡印廷矢量和波矢量的相反方向性，使许多新的线性和非线性的轻物质相互作用机制成为可能。在此，我们预测了具有克尔型和可饱和非线性的负折射率超材料中具有不同拓扑电荷的光学涡旋的方位调制不稳定性的不同特征。我们推导出一个解析表达式的空间调制不稳定性增益的克尔非线性的情况下，并表明，一个特定的条件有关的衍射和非线性长度必须满足的方位角调制不稳定性发生。最后，我们研究了由于产生涡旋的轨道角动量转移对孤立项链光束运动的影响而导致的项链光束的旋转。我们表明，旋转的方向是相反的，在积极和消极的指数材料。
2016-01-15 physics.optics
Switching nonlinearity in a superconductor-enhanced metamaterial
我们展示了一种非线性超材料，它可以通过控制入射光束的功率水平在低透射率和高透射率之间切换。这种非线性响应的起源是超材料结构中采用的超导Nb薄膜。我们表明，大约22 dBm的中等RF功率，它是可能的淬火超导状态的超材料的开口环谐振器的角落处的极强的电流密度的结果。我们测量的传输对比度为10 dB和70 ns的低功率和高功率状态之间的群延迟的变化。
2012-03-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.optics
Controlling the toroidal excitations in metamaterials for high-Q response
研究了超材料中环形多极子的激发对亚波长高Q响应的影响。在这项研究中，我们探讨了优化的环形激励在平面超材料组成的非对称开口环谐振器（ASRRs）。研究发现，通过调整自激谐振腔的特征参数：非对称因子，可以显著增强环形偶极子的散射功率。有趣的是，在环形激发的改善伴随着对环形超材料的Q-因子的增量;它示出了，通过改变ASRR的不对称因子，环形偶极子的散射功率和Q-因子都增加了一个以上的顺序。环形多极子激发的优化提供了进一步提高超材料的Q因子并在亚波长尺度上增强光-物质相互作用的机会，用于低功率非线性处理和敏感光子应用中的潜在应用。
2017-04-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Spatial solitons in nonlinear left-handed metamaterials
我们预测，非线性左手材料可以支持TE和TM偏振的自陷局域光束，空间电磁孤子。这种孤子表现为对称或反对称的单峰和多峰光束，它们的存在是由于磁非线性和负磁导率的有效区域。
2004-05-07 physics.optics
Nonlinearity and optical bistability caused by local field effects in the interaction between a two level atomic system and a metamaterial
我们提出了一个理论分析的非线性响应的超材料组成的一个阵列的开口环谐振器耦合到一个二能级原子系统（2LS）没有反转。我们计算了描述耦合系统的Maxwell Bloch方程的总复磁化率和线性、三阶和五阶非线性解。我们分析了非线性效应对有源超材料/2LS复合物动力学的影响，当2LS被外部泵浦源泵浦并实现布居数反转时，非线性效应依赖于外部电场的大小。我们观察到，在有源超材料/2LS复合物中的非线性阻尼显著降低了尖峰效应。最后，我们研究了系统出现光学双稳现象的条件。我们观察到，光学双稳态只能获得时，2LS的原子体积密度达到非物理高的值，因此在所调查的系统中是不期望的。
2011-02-21 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
3D nonlinear optical metamaterials from twisted 2D van der Waals interfaces
为了实现新的非线性响应，通过组织结构单元（元原子）来创建超材料，这些结构单元通常在大约100纳米的尺度上。然而，真正改变原子对称性并实现新的非线性响应需要在原子尺度上进行控制，低至几埃。在这里，我们报告的3D非线性光学超材料的发现实现了精确控制和扭曲的个人2D范德华界面。具体地，通过将伪螺旋对称性添加到多个4层WS2堆叠（例如，4层、8层等）来实现新的非线性晶体。由此产生的3D晶体的非线性极化率是从根本上不同于天然WS2。此外，我们表明，新启用的非线性的幅度增强通过控制接口的数量和激发波长。我们的研究结果提出了一种新的方法来重新设计人工原子结构中的固有非线性，从几个纳米厚的单元电池到大块材料。
2023-03-11 physics.optics
Structural second-order nonlinearity in metamaterials
非线性过程是激光、信息处理、传感和安全等许多光学技术的核心，需要适合纳米级集成的优化材料。在这里，我们证明了一个强大的大容量二阶非线性响应的出现在复合等离子体纳米棒材料组成的中心对称材料。超材料响应于s偏振激发和p偏振激发两者提供同等强的p偏振二次谐波光的产生。我们开发了一个有效的介质描述的基础物理，比较其预测的实验结果，并分析其适用性的限制。我们表明，虽然有效介质理论充分描述了非线性偏振，二次谐波光的发射过程不能在同一框架内描述。这项工作提供了对复合材料中出现的非线性光学响应的理解，并为集成非线性光子学的新非线性光学平台设计打开了大门。
2017-12-30 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Tunable split-ring resonators for nonlinear negative-index metamaterials
我们实验研究了含有可变电容二极管的开口环谐振器的动态可调谐性和自感非线性。我们证明了谐振器的本征频率可以在很宽的频率范围内进行调谐，并且显著地，我们表明在变容二极管加载的开口环谐振器结构中观察到的自感非线性效应可以出现在相对低的功率水平。
2006-08-04 physics.optics
Controlling light-with-light without nonlinearity
根据惠更斯叠加原理，在线性介质中传播的光束将相互通过而不会相互干扰。事实上，人们普遍认为，用光控制光信号需要强激光场来促进非线性介质中的光束相互作用，其中叠加原理可以被打破。我们在这里证明，任意低强度的两个相干光束可以在纳米级厚度的超材料层上相互作用，使得一个光束调制另一个光束的强度。我们发现，光束的干涉可以消除光能量在超材料中的等离子体焦耳损失，或者相反，可以导致光的几乎全部吸收。这种现象的应用可能在于超快全光脉冲恢复器件、相干滤波器和太赫兹带宽逐光调制器。
2016-04-19 physics.optics
Stabilization of light bullets in nonlinear metamaterial waveguides
本文对时空孤子（光子弹）在非线性异向介质波导中的传输进行了理论研究。我们的理论研究是基于制定拉格朗日变分分析与一个合适的Anasterian其次是分步傅立叶方法，在确认的结果前数值。特别强调的是，得到的条件，系统参数的稳定动力学的负，以及正折射率制度的超材料波导。与传统介质类似，三维（3D）光子弹在仅具有克尔型非线性的超材料中是高度不稳定的。然而，在负折射率区的超材料，光子弹的稳定传播可能会发生在正常的色散区与散焦立方非线性和聚焦五次非线性平衡。在常规情况下，稳定的动力学的情况下，也观察到的异常色散与聚焦立方非线性和散焦五次非线性的正折射率制度。为了验证超材料中三维光弹的孤子性质，我们还数值研究了两个光弹的碰撞动力学。研究表明，在竞争的三次和五次非线性异向介质中，时空孤子在与另一个时空孤子碰撞后，除了相移外，没有任何变化。线性和非线性效应之间的不适当平衡导致在相互作用后形成具有大量能量的扭曲形式的子弹分子，并且从长远来看，光子弹的振荡增长并且子弹变成细丝。我们在超材料的负折射率和正折射率区域中都观察到了相同的碰撞动力学。
2022-03-04 nlin.PS nlin.SI physics.optics
Resonant plane waves in metamaterials with dipoles and quadrupoles coupled with quantum system
在这里，多极方法[13]与密度矩阵形式主义相结合，用于建立具有增益的振荡器的模型。这种方法使我们能够调查分析或半分析的增益和磁性能的磁共振器之间的相互作用，内部不稳定的操作模式的spasers（MA耦合发射器，其中的磁共振器组成）的传播特性的影响，并最终优化MM设计。此外，所提出的模型与先前提出的方法[16]一致（实际上是其在平面波传播问题上的自然扩展），并且从另一方面非常清晰和可观察。本文给出的结果解决了由[12]和[35-38]引起的讨论。
2013-08-21 physics.optics
Gap solitons in metamaterials
研究了非线性异向介质中带隙孤子的电磁局域化和存在性。对于自聚焦克尔非线性，具有阻带中的载波频率的电场包络的方程-其中磁导率$μ(ω)$为正，介电常数$ε(ω)$为负-由具有色散非线性项的非线性Klein-Gordon方程描述。发现了电场和磁场的一类驻波和运动局域波，讨论了非线性色散项对孤立波稳定性的影响。
2006-11-15 physics.optics
Nonlinear Localization in Metamaterials
超材料，即，包括弱耦合离散元件的人工结构化（"合成"）介质表现出非凡的特性，并且它们对于包括超分辨率成像、隐身、超透镜和光学变换的新应用具有很大的前景。非线性为超材料设计增加了新的自由度，允许调谐和多稳态，这些特性可以提供全新的功能和电磁特性。离散性和非线性的结合可能导致金属、SQUID基和${\cal PT}-$对称超材料中的离散呼吸子类型的固有局部化。我们回顾最近的研究结果表明，呼吸机激励在这些系统中产生的固有损失和输入功率之间的功率平衡，无论是通过适当的初始化或纯动力学程序的一般外观。呼吸特性特有的每一个特定的系统进行了识别和讨论。最近在低损耗、有源和超导超材料的制备方面取得的进展，使得利用所提出的动力学过程在原则上对呼吸子进行实验观察成为可能。
2013-10-21 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ultrafast all-optical switching via coherent modulation of metamaterial absorption
我们报告的演示飞秒全光调制器提供，没有非线性，因此在任意低强度，超快的光由光控制。该器件利用光波在厚度仅为30 nm的超材料纳米结构上的相干相互作用，有效地控制近红外（750-1040 nm）飞秒脉冲的吸收，提供接近3：1的开关对比度，调制带宽超过2 THz。这里所示的功能范例打开了一个家庭的新的元器件在相干网络中的超快速光学数据处理的路径。
2014-03-11 physics.optics
Nonlinear graphene metamaterial
我们证明了石墨烯的宽带非线性光学响应可以通过与等离子体超材料的杂交共振增强超过一个数量级，同时保持~1 ps的超快非线性响应时间。在约1600 nm波长处，在约0.03 mJ/cm ^2的泵浦光下，观察到接近约1%的透射调制。这种方法允许在宽波长范围内设计和增强石墨烯的非线性，使其能够应用于光开关，锁模和脉冲整形。
2012-03-23 physics.optics
Spatial dissipative solitons in graphene-based active random metamaterials
我们研究了石墨烯基有源超材料的耗散非线性动力学，该材料由随机分散的石墨烯纳米片嵌入外部泵浦增益介质中组成。我们观察到，石墨烯饱和非线性产生亚临界分岔的非线性模式，使自组织的辐射到几个不同的拓扑电荷耗散孤子结构。我们系统地研究了这种非线性波的存在域及其时空动力学，发现孤子涡旋是不稳定的，从而使自组织成单个耗散结构与消失的拓扑电荷，独立的石墨烯纳米片的形状。我们的结果揭示了自组织的相干辐射结构在无序系统和相关的未来的无腔激光器和放大器的设计。
2022-01-12 physics.optics
Analytical model for nonlinear response of carbon nanotubes enhanced by a plasmonic metamaterial
我们提出了一个复杂的动力学分析模型描述的混合非线性系统的相互作用的碳纳米管（CNT）和等离子体超材料。我们的模型是基于一组耦合方程，它结合了完善的密度矩阵形式主义适用于量子系统（CNT被描述为一个两级系统）和谐波振荡器的方法理想的亚波长等离子体和光学谐振器建模。我们发现，碳纳米管的饱和非线性增加数倍的共振增强的近场的超材料。在我们的模型框架中，我们讨论了碳纳米管层的不均匀性（带隙值分布）对非线性增强的影响。它示出，Purcell效应是不可区分的场增强，并描述了相同的唯象常数。
2011-08-15 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Sub-diffraction-limit Observation Realized by Nonlinear Metamaterial Lens
本文通过实验证明，在光源上覆盖一个薄的平板非线性透镜，通过测量光源在谐波频率处的近场分布或远场辐射，并计算傅里叶逆变换，获得亚波长成像，就可以实现亚衍射极限观测。特别是，由远场测量数据计算的亚波长图像显示出非常清晰的分辨率。由于包含有源元件的超材料在很弱的入射电磁功率下很容易表现出很强的非线性，因此本文提出的非线性透镜的应用在不久的将来将在提高亚波长分辨率方面具有重要潜力。
2009-05-03 physics.optics
Mode matching in second order susceptibility metamaterials
我们提出了一个有效的模型为亚波长周期性图案化的金属层，其空腔填充有非线性介电材料，这占的线性和二阶行为。均匀化层的有效非线性极化率由介电材料的非线性和几何参数驱动，从而导致比现有材料高得多的极化率。当与共振一起使用时，这导致非线性过程的巨大增强。此外，多个谐振发生在金属腔，我们调查的模式匹配的情况下，频率转换过程，并显示它如何进一步提高其效率。
2016-02-25 physics.optics
Metamaterial all-optical switching based on resonance mode coupling in dielectric meta-atoms
基于光学非线性的全光开关必须经历原子尺度和电子尺度的光-物质相互作用的复杂过程，因此需要相对较高的功率和较长的响应时间，这构成了全光技术的主要瓶颈。本文提出了一种新的全光开关机制，即通过改变超材料中超原子的共振模式来实现全光开关，而不涉及材料的光学非线性。设计并构造了一种由立方介电亚原子周期性嵌入背景矩阵中构成的超材料。从理论和实验上证明了在微波波段利用与信号光功率相同的垂直方向开关光调制亚原子的共振模式实现全光开关的功能。这一结果代表了获得具有极低阈值功率和高开关速度的全光开关器件的重要一步。
2014-12-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Linear coupling between lightwaves in metamaterials enables lossless artificial magnetism
光学物理学中的一个众所周知的原理是，当介质响应是严格线性的时，在均匀介质内传播的两个光波之间永远不能交换功率。光波之间的功率交换通常借助于非线性发生。一个典型的例子是非线性光学参量放大，其中净能量可以从高频（高能量）光波（泵浦）流向低频信号波，导致信号波的放大。在这里，我们证明了普通介质的这种限制可以通过使用适当的工程超材料来克服，这些材料在最近的过去已经实现了各种非凡的应用，这些应用是使用传统材料无法实现的，例如完美的透镜，隐形斗篷和被困的彩虹。我们介绍了一个蓝图的磁性超材料，使，在一个完全线性的方式，相干和建设性的主动功率流从一个光波到另一个（第二）光波。
2013-01-25 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
Study of plasmonic slot waveguides with a nonlinear metamaterial core: semi-analytical and numerical methods
建立了两种不同的模型来研究横向磁稳态解在一维各向异性非线性等离子体结构中的传播，该结构由嵌入两个半无限金属包层之间的Kerr型非线性超材料芯制成。第一个模型是半解析的，在该模型中，我们假设各向异性非线性仅取决于电场的横向分量，并且非线性折射率修改与线性折射率修改相比较小。这种方法使我们能够推导出解析的雅可比椭圆函数的场分布和非线性色散关系。第二个模型是完全数值的，它是基于有限元法，其中所有的电场的分量被认为是在克尔型非线性没有假设的非线性折射率的变化。我们的有限元模型是有效的，超越弱非线性制度，推广了著名的单组分固定功率算法，通常使用。主要情况下的例子进行了研究，包括具有较强的空间非线性效应在低功率。通过在非线性超材料芯中使用增益介质来减少损耗问题。
2016-11-26 nlin.PS physics.comp-ph physics.optics
Gain-Driven Discrete Breathers in PT-Symmetric Nonlinear Metamaterials
介绍了一种由具有增益和损耗的开环二聚体组成的一维宇称时间（PT）对称非线性磁性超材料。当非线性是不存在的，我们发现一个确切的一个破碎的PT相位之间的过渡;在前者的系统具有两个带隙的频谱的形状确定的增益和损耗系数，以及单元间的耦合。在非线性的存在下，我们数值计算表明，作为一种新型的长寿命的稳定的离散呼吸子的增益/耗散匹配的结果，可以形成以下的带的下分支没有衰减。在这些局域模式中，能量在两个相邻的分裂环之间几乎相等地分配，一个分裂环具有增益，另一个分裂环具有损耗。
2013-04-05 cond-mat.mtrl-sci nlin.PS physics.optics
Modulation instability in nonlinear metamaterials induced by cubic-quintic nonlinearities and higher order dispersive effects
基于一个适用于具有三阶-五阶非线性和高阶色散效应的超材料中脉冲传输的模型，研究了具有三阶和五阶非线性的超材料中的调制不稳定性。我们在分析中考虑了损耗，发现损耗使MI增益谱的边带失真。我们发现，五阶非线性的组合效应增加MI增益。还讨论了高阶非线性色散效应对MI的影响。
2012-12-19 physics.class-ph physics.optics
Atomic layer deposited second order nonlinear optical metamaterial for back-end integration with CMOS-compatible nanophotonic circuitry
本文提出利用三种介电材料的循环原子层沉积制备非中心对称一维超材料，实现约5 pm/V的有效二阶非线性系数，比同类晶体高一个数量级，为CMOS兼容纳米光子平台的二阶非线性应用开辟了新途径。
2015-08-21 physics.optics
Electric dipole-free interaction of visible light with silver metadimers
在亚波长大小的粒子中，光诱导的多极矩的阶数高于电偶极子通常是可以忽略不计的小，这使得光-物质相互作用可以在电偶极子近似下准确地处理。在这项工作中，我们表明，在一个特别设计的元原子，一个磁盘元二聚体，电四极和磁偶极子可以是唯一的可激发多极。对于单个间二聚体和这种颗粒的周期性阵列，在窄但可调谐的可见光光谱范围内实现了该条件。由间二聚体散射的电磁场与由电偶极子产生的电磁场根本不同。因此，由这种二聚体组成的超材料将表现出不寻常的光学特性。
2012-04-03 physics.optics
Entanglement creation with negative index metamaterials
我们提出了一个由两个场量子组成的最大纠缠态的产生方案。在我们的方案中，两个弱光场，这是最初准备在相干或偏振态，与复合介质附近的电介质和负折射率超材料之间的界面相互作用。这种相互作用导致大的克尔非线性，光的群速度的降低和光场的显著限制，同时避免入射辐射的振幅损失。所有这些考虑因素使我们的计划有效。
2012-05-21 physics.optics quant-ph
Exceptional points and non-Hermitian skin effects under nonlinearity of eigenvalues
本文研究非线性特征值问题中的非厄米拓扑，提出非线性拓扑不变量，揭示单分量系统也可产生非线性诱导的例外点和趋肤效应。
2024-07-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.other cond-mat.stat-mech
Coherent control of optical activity and optical anisotropy of thin metamaterials
未来的光纤通信网络将依赖于光子作为信息的载体，这些信息可以以光的强度、偏振或相位来存储。然而，这种光学信息的处理通常依赖于电子学。为了避免光信号和电信号之间的转换，基于光学非线性的光与光的调制已经成为一个主要的研究领域，但真正的集成全光系统面临着热管理和能量挑战。另一方面，最近已经证明，两个相干光束在薄的、有损耗的线性材料上的相互作用可以导致由相干吸收引起的任意低功率下的大的和超快的强度调制。在这里，我们证明，双折射和光学活性（线性和圆双折射和二向色性）的功能材料可以相干控制通过放置一个薄的材料板到由信号和控制波形成的驻波。在不同的手性和各向异性微波超材料中的原理验证实验中，已经证明了利用相干控制波对信号波的偏振方位角和椭圆率的有效控制。
2013-12-02 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
Second-order nonlinear optical metamaterials: ABC-type nanolaminates
在纳米尺度上构造光学材料可以导致具有强烈改变的光学行为的人工有效介质或超材料。超材料可以提供广泛的线性光学特性，例如负折射率、双曲色散或在光学频率下的磁性行为。然而，非线性光学性质仅在图案化的金属膜中得到证实，这些金属膜具有高的光学损耗。在这里，我们表明，二阶非线性超材料也可以从非金属中心对称成分具有固有的低光吸收。在我们的原理验证实验中，我们已经迭代了三种不同成分的原子层沉积（ALD），A = Al $_2$ O $_3$，B = TiO $_2$和C = HfO $_2$。由于ABC和反向CBA序列不等价，因此所得到的ABC堆栈的中心对称性被破坏-这是非零二阶非线性的必要条件。据我们所知，这是第一次实现的大块非线性光学超材料。
2015-04-03 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Propagation of solitons in thermal media with periodic nonlinearity
研究了由聚焦层和散焦层交替构成的层状热介质中孤子的存在性及其性质。这样的结构支持强大的亮孤子，即使平均非线性是散焦。我们表明，非振荡孤子可能会形成在任何聚焦域，即使在那些位于靠近样品边缘，在均匀的热介质中，光束总是振荡时，不完全在样品中心发射。在层状介质中，稳定的多极孤子可以包含四个以上的光斑。
2008-06-18 nlin.PS physics.optics
Vector solitons in nonlinear isotropic chiral metamaterials
从麦克斯韦方程组出发，利用约化微扰法导出了各向同性非线性手征材料中电磁场沿固定方向传播的两个Beltrami分量的耦合非线性薛定谔（NLS）方程组.用单共振Lorentz模型计算介电常数和磁导率，用Condon模型计算手征参数，在某些光谱区域，当忽略非线性和手征参数足够大时，两个Beltrami分量中的一个表现出负的实折射率。可能存在一个子区域，其中NLS方程的系统可以由Manakov系统近似。在该光谱子区中可以形成暗-亮、暗-暗和暗-亮矢量孤子。
2011-11-18 nlin.PS physics.optics
Investigation of broadband terahertz generation from metasurface
非线性超材料已被证明提供具有高非线性转换效率的非线性特性，并且在无数的光操纵中。本文研究了由单层纳米开口环谐振器阵列构成的非线性超颖表面产生太赫兹波的特性。基于金属中电子动力学的流体动力学模型，研究了开口环谐振腔二阶非线性光整流产生太赫兹波的问题.结果表明，非线性超颖表面使我们能够产生宽带太赫兹辐射，并没有准相位匹配条件。该方案为宽带太赫兹光源和非线性等离子体超材料的设计提供了新的思路。
2018-06-03 physics.optics
Nonlinear left-handed metamaterials
我们分析了具有负折射的微结构材料，即所谓的左手材料的非线性特性。我们证明了磁导率对场强的依赖性，允许改变材料的性质，从左到右手和回来。利用时域有限差分方法，研究了波在非线性左手介质平板中的传输，并预测了时间孤子的存在。我们还表明，非线性左手材料可以支持TE和TM偏振的自陷局域光束，空间电磁孤子。这种孤子表现为对称或反对称的单峰和多峰光束，它们的存在是由于磁非线性和负磁导率的有效区域。
2004-10-27 nlin.PS physics.gen-ph physics.optics
Nonlinear magnetic metamaterials and possible applications on all-optical comparers and bistabilities in Fabry-Perot cavities
研究了由耦合开口环谐振器构成的非线性磁性超材料在克尔非线性作用下的调制不稳定性和时域动力学特性。我们的结果表明，最近提出的基于均匀响应假设的局部光学指数的光开关似乎是脆弱的。我们设想了两种替代方案来利用有价值的增强非线性，一种是专注于少体系统并直接利用调制不稳定性（例如，光学比较器设计），另一种是考虑如通常情况下那样由全局反馈引起的全局切换（例如，法布里-珀罗腔），而不是基于局部共振的光学常数的开关，这可能会被破坏的离散性和相互作用，因为我们在本文中显示。我们也试图提供一个全面的理解之间的关系，我们的结果离散的非线性异向材料和连续异向材料和天然材料的文献。
2012-04-17 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
General equation for directed Electromagnetic Pulse Propagation in 1D metamaterial: Projecting Operators Method
我们考虑一维电动力学模型的脉冲在超材料介质中传播的边界问题。我们建立并应用投影算子的麦克斯韦系统在时域中，允许分裂的线性传播问题，定向波的材料关系与一般色散。投影仪的矩阵元素充当卷积积分算子。对于一个弱的非线性，我们仍然推广的线性结果为任意色散，并推导出系统的相互作用的右/左波的组合（混合）的振幅。结果是指定的流行的超材料模型与德鲁德公式的介电常数和磁导率系数。我们还讨论和研究了与某些边界区域有关的系统的定态解。
2015-12-05 math-ph math.MP physics.optics
Systematic Study of Amorphous ABC Heterostructures at the Atomic Scale as a Second-Order Nonlinear Optical Metamaterial
Friedrich Schiller University Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；Australian National University（澳大利亚国立大学）；Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF（弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所）；GFZ Helmholtz Centre for Geosciences（德国地球科学研究中心赫尔姆霍茨协会）；Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS（弗劳恩霍夫材料系统和微结构研究所）
研究通过原子层沉积制备无定形ABC异质结构，发现其纳米尺度形态修饰显著提升第二阶极化率，实现1032nm波长下2.0±0.2pm/V的体第二阶极化率，与传统单晶非线性材料相当。
2026-01-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Families of fundamental and multipole solitons in a cubic-quintic nonlinear lattice in fractional dimension
我们构造了分数阶薛定谔方程（FSE）中的基孤子、偶极孤子和三极孤子族，该方程包含了分别由因子$\cos ^{2}x$和$\sin^{2}x$调制的自聚焦三次项和散焦五次项.当基本孤子与均匀非线性模型中的孤子相似时，多极复合体只存在于非线性晶格中。所有孤子的形状和稳定性强烈依赖于决定FSE分形性的Lévy指数（LI）。通过数值方法在LI和传播常数的平面中确定稳定区域，并借助解析近似解释了一些结果。基孤子的稳定区域最宽，三极子的稳定区域最窄。
2021-04-15 nlin.PS physics.optics
Artificial Nonlinearity Generated from Electromagnetic Coupling Meta-molecule
提出了一种基于超材料路径的纯人工光学非线性机制。该机制是从超分子中的经典电磁相互作用导出的，该超分子由切割线超原子嵌套在分裂环超原子中组成。在裂环元原子中产生的局域磁场的作用下，磁力驱动切割线元原子中的自由电子发生非谐振荡，产生本征非线性电磁响应.一个显式的二阶非线性行为的物理过程，充分描述，这是完美的一系列数值模拟证明。这种新的非线性光学机制不是从天然非线性材料中“借用”，而是人为地由亚分子几何结构控制，具有前所未有的设计自由度，为非线性光学的研究和应用提供了诱人的可能性。
2018-03-09 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
Multipole solitons in competing nonlinear media with an annular potential
本文研究立方–五次方竞争非线性介质中环形势支持的多极孤子，揭示两分支孤子族的稳定性随波瓣数的变化规律，并证明相位力矩可驱动其稳定旋转。
2023-11-03 nlin.PS physics.optics
Theoretical formalism for collective electromagnetic response of discrete metamaterial systems
我们开发了一个一般的形式主义来描述的近共振电磁场的传播磁介质谐振器组成的介质。由于超材料阵列中纳米制造谐振器的尺寸和空间间隔通常小于波长，因此我们将其描述为离散散射体，支持由单个动态变量表示的电流振荡的单模。我们推导出拉格朗日和哈密顿形式的耦合电磁场和振荡电流的长度规范，得到的Power-Zienau-Woolley变换。每个谐振器对电磁场的响应然后由极化和磁化密度描述，极化和磁化密度在多极展开中的最低阶，产生电和磁偶极子激励。我们推导出一组封闭的方程的相干散射场和正常模式的振幅的电流振荡的每个谐振器内的旋转波近似，在这种情况下的辐射衰减率是远远小于谐振频率，没有这样的假设。方程组包括由电磁场介导的一组离散谐振器之间的辐射耦合，完全将经常性散射过程纳入所有阶次。通过考虑一个二维开口环谐振器超材料阵列的例子，我们表明，该系统的响应合作近共振场，表现出集体本征模，谐振频率，和辐射线宽，从紧密间隔的谐振器之间的强辐射相互作用的结果。
2012-08-08 physics.optics quant-ph
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
A multi-stable switchable metamaterial
超材料研究领域围绕着创造人工介质的想法，这种介质以一种天然材料所不知道的方式与光相互作用。这通常是通过创建电子或等离子体结构的亚波长晶格（所谓的元原子）来实现的，它决定了光和超材料之间的相互作用。这些定制介质的最终目标之一是能够原位控制其特性，这导致了可调谐和可切换超材料的全新分支。目前的许多实现依赖于将微机电致动器或半导体元件引入其元原子结构中。在这里，我们表明，超导量子干涉器件（SQUID）可以用作快速，本质上可切换的亚原子。我们发现，它们的内在非线性导致同时稳定的动态状态，其中每一个都与微波域中的磁化率的不同值和符号相关联。此外，我们证明，它是可能的，通过施加纳秒长脉冲，除了微波探测信号之间切换这些状态。除了潜在的应用，例如，全光超材料开关，这些结果表明，多稳定性，这是一个共同的特点，在许多非线性系统，可以用来创建新类型的元原子。
2013-12-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.optics
Anderson localization in metamaterials and other complex media
我们回顾了最近（主要是我们的）关于复杂无序系统中光波和电子波的安德森局域化的一些结果，包括：（i）左手超材料，（ii）磁激活光学结构，（iii）石墨烯超晶格，和（iv）非线性介电介质。首先，我们证明了左手超材料可以显着抑制光的本地化，并导致一个有害的增强传输。这种抑制是必不可少的，在长波长极限的情况下，垂直入射，在特定角度的斜入射（布鲁斯特异常），并在附近的零μ或零μ频率的色散超材料。值得注意的是，在由交替的正常和左手超材料组成的无序样品中，倒数李雅普诺夫指数和倒数透射率增量可以彼此不同。其次，我们研究磁活性多层结构，表现出非互易本地化的光依赖于传播方向和偏振。在共振频率或实现下，这种非互易性导致光的有效单向传输。第三，我们讨论了波通过多层样品与超材料和石墨烯中的电荷输运之间的类比，这使得无序石墨烯超晶格的不寻常的导电性能的一个简单的物理解释。我们预测的狄拉克准粒子的透射系数在斜入射的无序诱导共振。最后，我们证明了介电介质中的非线性和无序的相互作用可以导致在谐振频率下介质内部激发的单个局域态的双稳性。这导致了波的非互易性传播和光的单向传输。
2012-07-08 cond-mat.dis-nn physics.optics
Ultrafast All-Optical Polarization Control in a Plasmonic Metasurface by Selective Hot-Electron Heating of Orthogonal Gold Nanorods
Institute of Nanoscience and Nanotechnology, National Center for Scientific Research “Demokritos”（纳米科学与技术研究所，国家科学研究中心“德莫克里斯”）；Theoretical and Physical Chemistry Institute, National Hellenic Research Foundation, NHRF（理论与物理化学研究所，希腊国家研究基金会）
研究利用金纳米棒二聚体超材料，借助飞秒激发下金的瞬态光学非线性及单元胞几何各向异性诱导热电子，结合模型与模拟捕获瞬态响应，实现亚皮秒全光偏振控制，为光开关等应用铺路。
2026-10-30 physics.optics
Stable two-dimensional solitons in nonlinear lattices
我们解决的存在性和稳定性的二维孤子在光学或物质波介质中，这是支持纯非线性晶格的形式的周期性阵列的圆柱自聚焦非线性，嵌入到线性材料。我们表明，这种晶格可以稳定的二维孤子对崩溃。我们还发现，稳定的多极子和涡旋孤子也支持的非线性晶格，只要非线性表现出饱和。
2009-02-04 nlin.PS physics.optics
