Giant Photoresponsivity of Mid-Infrared Hyperbolic Metamaterials in the Quantum Regime
我们探索基于纳米图案化双曲超材料（HMM）的宽带，广角中红外整流，由亚纳米隧道势垒分隔的两种不同的金属组成。由这种周期性沟槽阻碍支持的奇异慢光模式有效地将入射辐射捕获在大规模平行的金属-绝缘体-金属隧道结中，从而支持由光子辅助隧穿引起的超快光学整流。这导致高效的光子到电子转换，比传统的整流天线大几个数量级。我们的研究结果有望对红外能量采集器和等离子体光电探测器产生影响。
2015-09-23 physics.optics
Hole-Based Stealthy Hyperuniform Semiconductor Metamaterials for the Mid-Infrared
该研究设计制备了基于孔洞的中红外隐秘超均匀半导体超材料，兼具类光子晶体带隙特性与空间各向同性，在12.0μm处带隙比达9.8%，为大角度光学图像处理提供了新方案。
2024-06-24 physics.optics
Selectively strong coupling MoS$_2$ excitons to a metamaterial at room temperature
双曲型超材料（HMM）附近的光发射体显示出从自发衰减率增强到强耦合的一系列量子光学现象。在本研究中，我们将单层二硫化钼（MoS $_2$）发射极整合在隐马尔可夫模型的近场区。MoS $_2$单分子层具有A和B激子，其在可见光谱的红色区域发射。我们发现，B激子耦合到HMM不同相比，A激子。所制造的HMM在2.13 eV处从椭圆色散介质转换为双曲色散介质。B激子与HMM模的选择性耦合归因于跃迁的内建场梯度。相对于A激子，B激子能量接近HMM的转变点。因此，HMM模式更多地耦合到B激子，并且超材料用作选择性耦合器。耦合强度的计算表明，耦合是2.5倍强的B激子相对于A激子。HMM的高近场、大振幅和MoS $_2$激子的面内跃迁偶极矩，导致B激子的强耦合，形成轻物质杂化态。测量的差分反射和光致发光光谱表明存在混合光物质状态，即激子-极化激元。在室温下观察到至少129 meV的拉比分裂。低温光致发光谱测量显示出模式反交叉，这是杂化态的特征。我们的研究结果表明，隐马尔可夫模型作为一个能量选择耦合器的多激子系统的MoS $_2$。
2022-04-28 physics.optics
Ultrafast All-optical control of Multiple Light Degrees of Freedom through Mode-mixing in a Graphene Nanoribbon Metamaterial
本文提出一种石墨烯纳米带双层超材料，通过独立调控实现宽带超快模式混叠，从而选择性地控制光的振幅、相位、偏振、自旋角动量和手性等多个自由度。
2025-07-09 physics.optics
Mid-infrared photodetector based on 2D material metamaterial with negative index properties for a wide range of angles near vertical illumination
提出了一种基于石墨烯的负折射率超材料垂直照明硅兼容中红外光电探测器。在没有超材料的帮助下，以接近垂直于表面的角度耦合到2D层中是可以忽略的。我们提出了一种低损耗的超材料，介电结构与纳米/微米孔通过二维材料，支持谐振，并提高量子效率在很宽的入射角范围内。
2021-02-08 physics.app-ph physics.optics
Extreme mid-infrared field enhancement and anapoles in high-index plasmonic metamaterials
School of Physics and Astronomy, University of Birmingham（伯明翰大学物理与天文学学院）；NanoPhotonics Centre, Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室纳米光子学中心）
本文基于金纳米颗粒自组装超材料，实现中红外波段有效折射率超过15且间隙场增强两个数量级，并通过设计支持anapole的紧凑超材料器件进一步增强纳米间隙场，使量子发射器的受激辐射响应增强三个数量级。
2026-06-18 physics.optics
Achieving Selective Damage Interrogation and Sub-Wavelength Resolution in Thin Plates with Embedded Metamaterial Acoustic Lenses
在这项研究中，我们提出了一种方法，超声波束形成和高分辨率识别声源结构健康监测技术具有重要意义。所提出的概念是基于通过嵌入式声学超材料透镜的动态定制结构元件的设计。这种方法提供了一个全新的替代传统的相控阵技术，使形成可操纵和准直（或聚焦）的超声波束，通过利用一个单一的换能器。超声波束可以通过简单地调谐激励的频率来操纵。此外，嵌入式透镜可以被设计为实现对初始集群损伤的亚波长分辨率。
2013-12-18 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Substrateless metamaterials at mid-infrared frequencies
我们报告的制造和中红外传输性能的独立的薄金属膜，周期性图案化的孔在周期下降到2微米，面积为3x 3平方毫米。正方形网格制造的电子束光刻和深蚀刻技术和显示无基板孔，与金属被支持的图案化的介电氮化硅膜。中红外透射光谱的无衬底网格显示非凡的透射峰和共振吸收线与Q-因子高达22。这些光谱特征是由于辐射与表面等离子体模式的相互作用。在选定的频率下的高透射率和介电常数的负值使我们的无衬底结构的理想候选人的中红外超材料的制造。
2009-07-27 physics.ins-det physics.optics
Highly-Efficient Selective Metamaterial Absorber for High-Temperature Solar Thermal Energy Harvesting
在这项工作中，超材料选择性太阳能吸收器的纳米结构的钛光栅沉积在一个MgF 2间隔和钨地膜提出和实验证明。所制造的太阳能吸收器的特征在于在UV、可见光和近红外（IR）区域中的正常吸收率高于90%，而中红外发射率为约20%。太阳光谱中的高宽带吸收是通过表面等离子体激元和磁极化子共振的激发实现的，而低中红外发射率是由于金属成分的高反射性质。进一步的定向和偏振反射率测量表明，宽角度和偏振不敏感的太阳光谱内的高吸收。温度依赖性光谱表征表明，在高达350°C的高温下，光学性质几乎没有变化。使用制造的超材料太阳能吸收器的太阳能-热转换效率预计在100°C下为78%，没有光学聚集，或者在400°C下为80%，25个太阳，并且可以在超材料设计期间通过更好的制造工艺和几何优化进一步提高。强光谱选择性、良好的类漫射行为和优异的热稳定性使得超材料选择性吸收器有希望在中高温下显著增强各种系统中的太阳热能收集。
2014-11-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Beam engineering for selective and enhanced coupling to multipolar resonances
亚波长谐振器中的多极电磁现象是超材料科学和技术的核心。在这封信中，我们展示了选择性和增强耦合到特定的多极共振通过光束工程。首先，我们推导出一种分析方法，用于确定球形纳米粒子（NP）的散射和吸收，仅取决于非均匀光束内的局部电磁场量。使用这种分析技术，我们展示了通过改变照明特性来大幅操纵球形NP的散射特性的能力，并展示了用常规照明无法访问的纵向四极模的激发。这项工作增强了对超材料中基本光-物质相互作用的理解，并为研究人员通过光束工程识别，量化和操纵多极光-物质相互作用奠定了基础。
2015-09-03 physics.optics
Integrated and Spectrally Selective Thermal Emitters Enabled by Layered Metamaterials
亚波长尺度的光-物质相互作用的纳米光子工程允许与传统热发射器根本不同的热辐射，并为各种热光子应用提供了令人兴奋的机会。我们提出了一种新的集成和电控热发射器，利用分层超材料与光刻免费和介电/金属纳米层。我们从理论上和实验上证明，所提出的概念可以创建一个强大的光子带隙在可见光区，并允许在红外波长小的阻抗失配，这引起了显着增强的发射率在宽红外波长的1.4-14微米的光学功能，以及有效地抑制在可见光区的发射率。电驱动超材料器件在高达~800 K的温度下具有光学和热稳定性，电光转换效率达到~ 30%。我们相信，所提出的高效热发射器将为各种热光子应用的集成红外线源平台铺平道路，特别是为成本效益高、紧凑、低眩光和节能的红外加热提供了一种新的替代方案。
2020-08-28 physics.app-ph physics.optics
Highly Selective Terahertz Bandpass Filters Based on Trapped Mode Excitation
我们提出了两种类型的基于超材料的太赫兹（THz）频率范围的光谱带通滤波器。超材料是专门设计用于正常入射的波，并独立于场极化。功能结构嵌入在苯并环丁烯（BCB）的膜中，从而形成具有低固有损耗的大面积、自支撑和柔性膜。通过太赫兹时域光谱研究了所提出的滤波器，并显示出明显的透射峰，在通带中具有超过80%的幅度透射，并且在阻带中具有低至噪声水平的透射抑制。数值模拟的结果表明，高传输响应与捕获模式的激发有关。
2009-09-18 physics.optics
Thermal graphene metamaterials and epsilon-near-zero high temperature plasmonics
热光伏（TPV）发射器的关键特征是对应于刚好高于吸收光伏电池的带隙的能量的热发射的增强和低于带隙的热发射的同时抑制。我们在这里表明，单层等离子体涂层可以高效率地执行这项任务。我们的关键设计原则涉及调整作为热发射器的金属的ε-近零频率（等离子体频率）到半导体电池的电子带隙。这种方法利用金属在其等离子体频率（ε-近零频率）附近的反射率的变化来导致光谱选择性热发射，并且可以适用于使用高温等离子体材料的大面积涂层。我们提供了一个详细的分析的光谱和角度性能的高温等离子体薄膜TPV发射器。我们展示了这种高温等离子体热发射涂层（p-TEC）用于窄带近场热发射的潜力。我们还显示了石墨烯多层热超材料的近表面能密度的增强，这是由于在有效的ε-近零频率处的拓扑转变。这开启了在红外频率范围内来自石墨烯多层的光谱选择性热发射。我们的设计为开发用于光谱选择性辐射传热应用的单层p-TEC和石墨烯多层膜铺平了道路。
2017-02-05 physics.optics
Mid-infrared Fourier-transform spectrometer based on metamaterial lateral cladding suspended silicon waveguides
集成化中红外微型光谱仪在环境监测和空间探测等领域具有巨大的应用潜力。绝缘体上硅（SOI）是一个很有前途的平台，以解决这一集成挑战，由于其独特的能力，大批量和低成本生产的超紧凑的光子电路。然而，SOI材料在中红外波段的应用受到埋氧层对4 μm以上波长强吸收的限制。在这里，我们克服了这一限制，利用超材料包覆悬浮硅波导实现空间外差傅里叶变换（SHFT）光谱仪工作在5.5μm波长附近。超材料包覆的几何结构允许去除掩埋氧化层，在5.3μm和5.7μm波长之间产生低于2 dB/cm的测量传播损耗。SHFT光谱仪由19个马赫-曾德尔干涉仪组成，最大臂长不平衡为200 μm，测量光谱分辨率为13 cm-1，在5.5μm波长附近的自由光谱范围为100cm-1。
2021-12-03 physics.app-ph physics.optics
Ferrimagnetic-like surface resonance from hybrid metamaterial slab
我们表明，由两种不同类型的腔的一维阵列组成的混合超材料板表现出类似亚铁磁的表面共振，其可用于实现有趣的现象，例如作为强角度依赖反射相位的结果的定向发射以及高斯入射光束选择性耦合到高阶衍射通道中，从而产生负反射和反向回溯的现象。在微波政权的实验结果进行了验证。
2010-05-20 physics.optics
Infrared Dielectric Resonator Metamaterial
我们首次展示了一种基于高折射率碲立方夹杂物的中波红外全介质超材料谐振器。与传统的金属-介电超材料相比，介电谐振器在光学频率下是理想的，因为它们在很大程度上是角度不变的，没有欧姆损耗，并且容易集成到三维体积中。有了这些低损耗、各向同性的元件，可以更容易地实现破坏性的光学超材料设计，如广角透镜和斗篷。
2011-08-24 physics.optics
Plasmonic and Metamaterial Structures as Electromagnetic Absorbers
电磁吸振器在许多领域受到越来越多的关注。一系列的等离子体和超材料结构可以作为有效的窄带吸收器，由于激发等离子体或光子共振，提供了一个巨大的潜力，在设计选择性的热发射器，生物传感等应用在其他应用，如太阳能收获和光子检测，光吸收器的带宽要求是相当宽的。在这样的背景下，人们提出了多种宽带/多带吸收机制，如多共振混合、激发相位共振、利用各向异性材料减慢光的传播速度、采用高损耗材料等。
2014-04-23 physics.optics
Characterization of dipolar current-based metamaterials showing a single resonance in the terahertz spectrum
我们将报告的电磁响应，由于诱导偶极电流的超材料的二维阵列的金属元素。用作频率选择器，超材料透射率在1至8 THz的区域中呈现单个谐振，其可以通过选择平面金属元件的尺寸和形状并利用麦克斯韦方程组的可缩放性来容易地选择和缩放，从而保持品质因数不变。在此基础上，我们设计并测试了一系列简单、廉价的频率选择性超材料。
2009-08-04 physics.optics
Broadband tunable mid-infrared absorber based on conductive strip-like meta-atom elements
研究了一种由薄金属条组成的超材料作为中红外波段的宽带吸收体。在这里，各个元件的介电和几何特性之间的匹配对于确保高吸收至关重要。详细的理论分析的基础上的电偶极子近似进行表征的吸收和散射特性的单个单元电池和结果被用来设计的超材料组成的这种配置。条形元件的吸收截面可以超过其纵向几何截面面积的17倍。结果表明，镍基金属-绝缘体-金属（MIM）超材料结构的吸收率可以超过90%，在约8.2 - 18 μ m的光谱。宽带吸收与带的低Q因子偶极模的激发相关联。这种吸收体表现出良好的偏振和入射角的横向电场（TE）波的宽容。吸收光谱可以通过改变单个元件参数来调节。
2022-05-21 physics.optics
Wide-angle spectrally selective absorbers and thermal emitters based on inverse opals
工程光学吸收剂在从减少杂散光到能量转换的应用中具有重要意义。我们展示了一种大面积（厘米级）的超材料，其特点是在中红外波长范围内的近单位频率选择性吸收。超材料包括自组装的多孔结构，称为反蛋白石，这里由二氧化硅制成。该结构的大体积分数的空隙，以及二氧化硅在中红外光谱范围内的振动共振，将超材料的折射率降低到接近空气的折射率，并引入相当大的光吸收。结果，频率选择性结构即使在非常倾斜的入射角下也有效地吸收两种偏振的入射光。吸收器在高温下（测量高达~900摄氏度）保持稳定，使其能够作为频率选择性热发射器运行。这种吸收器/发射器的优异性能和易于制造使其成为被动辐射冷却，激光安全和其他大面积应用的有前途的表面涂层。
2019-10-08 physics.app-ph physics.optics
Multi-spectral near perfect metamaterial absorbers using spatially multiplexed plasmon resonance metal square structures
利用多路复用金属正方形等离子体共振结构，在多光谱波长下实现了近完美的红外线吸收。在两个单独的波长下，在双波段超材料吸收器中观察到超过95%的光功率吸收，并且在三个单独的波长下，在三波段超材料吸收器中观察到超过92.5%的光功率吸收。峰值吸收波长主要由多路复用结构中的金属正方形的尺寸确定。在峰值吸收波长处计算了介质间隔层中间的电场分布。结果表明，强的光吸收对应于超材料结构中的局部四极等离子体共振模式。
2013-01-30 physics.optics
A multi-spectral and polarization-selective surface-plasmon resonant mid-infrared detector
我们展示了一个多光谱偏振敏感的中红外点阱（DWELL）光电探测器，利用表面等离子体共振元件，具有可定制的频率响应和偏振选择性。的表面等离子体探测器的共振响应度显示出高达5倍的未图案化的控制检测器的增强。由于等离子体共振器仅涉及顶部金属接触的表面图案化，因此该方法独立于光吸收材料，并且可以容易地与用于成像应用的当前焦平面阵列处理集成。
2009-07-16 physics.optics
Taming the Blackbody with Metamaterials
在本文中，我们证明，第一次，选择性的热发射器的超材料完美的吸收器的基础上。实验实现了一种窄带中红外热辐射源。多个超材料子晶格进一步允许构造双频带MIR发射器。通过进行发射率和吸收率的测量，我们发现，发射率和吸收率同意非常好的预测基尔霍夫定律的热辐射。我们的研究结果直接证明了超材料的巨大灵活性定制黑体发射。
2011-05-13 cond-mat.other physics.optics
Probing Terahertz Metamaterials with Subwavelength Optical Fibers
通过亚波长太赫兹光纤的传输，这是平行于频率选择表面的位置，使用几种有限元工具进行了研究。利用带图技术和端口散射矩阵技术分析了光纤传输谱中各种谐振现象的本质。首先，我们观察到，在基于端口的模拟中的大多数传输峰的光谱位置可以与相应的无限周期系统的能带图中的Van Hove奇点的位置相关。此外，光纤传输光谱中的大多数特征的光谱形状可以通过几个Fano型共振的叠加来解释。我们还表明，这些谐振的中心频率和带宽，因此，所得到的传输功能的频谱形状可以通过改变光纤-超材料分离来调谐。
2013-06-10 physics.optics
Mid-infrared edge-enhanced imaging via angle-selective nonlinear filtering
East China Normal University（华东师范大学）；Chongqing Institute of East China Normal University（华东师范大学重庆研究院）；Shanxi University（山西大学）；Shanghai Research Center for Quantum Sciences（上海量子科学研究中心）
提出一种通过非线性角度选择性滤波实现中红外上转换成像在明场和边缘增强模式间高度可调谐的方案，数值演示了通过晶体温度调谐切换模式及双色照明同时获取两种信息的能力。
2026-05-27 physics.optics
Infrared dielectric metamaterials from high refractive index chalcogenides
高折射率介电材料在纳米光子器件和应用中有很大的需求，从纳米光学元件到无金属亚衍射光限制和波导。在这里，我们表明，硫族化物拓扑绝缘体是特别合适的候选人介电纳米光子架构在红外光谱范围内的报告超材料共振硫族化物晶体内持续良好的中红外，选择Bi $_2$ Te $_3$作为案例研究在这个家庭的材料。由于在整个2-10 $μ$ m区域中范围在7和8之间的异常高的折射率，实现了入射电磁场的强共振调制。对超材料中复杂模式结构的分析暗示了极向表面电流的激发，这可以通过耦合到自旋极化拓扑表面载流子来为增强的光-物质相互作用和低损耗等离子体配置打开路径，从而提供了在单个平台中组合介电，等离子体和磁性超材料的新机会。
2019-11-21 physics.optics
Silicon-based Infrared Metamaterials with Ultra-Sharp Fano Resonances
超材料和超表面代表了光操纵、生物和化学传感、非线性光学甚至spaser激光的一个非常通用的平台。这些应用中的许多依赖于超材料的共振性质，这是近场中光能的极端光谱选择性集中的基础。自由空间光耦合到具有高谐振品质因数Q>>1的尖锐谐振元表面中的简单性是相对于极其角度敏感的衍射结构或固有不均匀的高Q光子结构（诸如环形或光子晶体微腔）的显著的实际优点。这种光谱选择性目前对于绝大多数由金属制成并遭受高等离子体损耗的超材料是不可能的。在这里，我们提出并证明了Fano共振全半导体光学元表面支持光学共振与品质因数Q>100，几乎是一个数量级比他们的等离子体对应物支持尖锐。这些硅基结构被证明是平面手性的，为高效的超薄圆偏振器和圆偏振辐射的窄带热发射器打开了激发的可能性。
2013-09-25 physics.optics
Tunable light trapping and absorption enhancement with graphene-based complementary metamaterials
表面等离子体共振（SPR）技术被广泛应用于光电子器件中，它可以捕获入射光并增强吸收。石墨烯作为具有强半金属性和连续可调表面电导率的等离子体材料的可用性使得其有希望动态地调制石墨烯基超材料的吸收增强。在这里，我们用数值方法证明了石墨烯基互补超材料可以实现可调光捕获和吸收增强。此外，我们还探讨了所提出的设备的偏振灵敏度，在这种情况下，无论是TM或TE平面波在特定波长可以有效地吸收通过简单地操纵费米能量的石墨烯。因此，这项工作可以找到潜在的应用在下一代的光电探测器与可调光谱和偏振选择性在中红外和太赫兹（THz）制度。
2017-09-08 physics.optics
Plasmonless polarization-selective metallic Semi-coaxial Aperture Arrays in the visible range
在这封信中，我们进行了数值和实验研究的光学响应的原始配置的基础上增强传输通过导模为基础的超材料。所提出的结构的灵感来自于环形孔径阵列（AAA），其中圆柱对称性被打破，以获得偏振敏感的超颖表面。实验结果与数值模拟结果吻合较好，表明该结构作为偏振器，消光比为15：1，最大透射系数高达85%，比典型等离子体共振的预期效率更高
2017-10-30 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
Multiple Tunable Hyperbolic Resonances in Broadband Infrared Carbon-Nanotube Metamaterials
利用真空过滤法制备的定向排列、密集堆积的碳纳米管超材料是一种新兴的红外纳米光子材料。我们报告多个双曲等离子体共振，一起跨越中红外线，在个别共振器由对齐和密集包装的碳纳米管。在第一近场扫描光学显微镜（NSOM）成像研究的纳米管超材料谐振器，我们观察到不同的深亚波长场分布在基本和高阶谐振频率。纳米管超材料的晶圆级面积使我们能够将这种近场成像与许多谐振器阵列的缩放特性的系统远场光谱研究相结合。彻底的理论建模与这些测量结果一致，并将谐振识别为双曲波导模式的高阶Fabry-Pérot（FP）谐振。纳米管谐振器阵列在1.5-10 μm范围内表现出宽带消光，在3-5 μm的大气透明窗口内表现出可逆的可切换消光。支持多谐振模式的宽带碳纳米管超材料是超紧凑吸收体、可调谐热发射器和中红外宽带传感器的有希望的候选者。
2020-07-04 physics.app-ph physics.optics
Integrating quantum-dots and dielectric Mie resonators: a hierarchical metamaterial inheriting the best of both
纳米级介质谐振器和量子限制半导体分别实现了对光吸收和激发电荷的前所未有的控制。在这项工作中，我们将发光硅纳米晶体（Si-NC）嵌入到SiO2纳米柱的2D阵列中，并通过实验证明了一个强大的概念：所得的超材料保留了Si-NC的辐射特性，并继承了纳米柱的光谱选择性吸收特性。这种分层方法提供了在不利用任何有损等离子体成分的情况下获得的增加的光致发光（PL）强度。我们进行了严格的计算和预测，独立的超材料，使可调谐吸收峰高达50%的可见光谱中，对应的纳米圆柱米氏共振和阵列中的光栅条件。我们实验检测消光光谱峰的超材料，这驱动增强的吸收的硅纳米碳。因此，超材料特征增加了PL强度，而不影响PL寿命、角度图案和提取效率。值得注意的是，与没有纳米柱的等效平面膜相比，我们性能最好的超材料显示出用较少量的Si-NC实现的+30%PL强度，导致每个Si-NC的平均PL增强3倍。该原理具有普遍性，可以用其他半导体量子点、稀土离子或有机分子代替。类似地，可以有目的地调整介电介质。这种吸收的光谱选择性为有效的光下转换方案铺平了道路，以提高太阳能电池的效率。我们设想使用这种分层设计的其他有效的光伏，光催化和人工光合装置与光谱选择性吸收和提高效率。
2017-03-29 cond-mat.mes-hall physics.optics
Ultrathin Ultra-broadband Electro-Absorption Modulator based on Few-layer Graphene based Anisotropic Metamaterial
在这篇文章中，一个少层石墨烯-介质多层（超材料）电光调制器已提出在中远红外范围内的电吸收机制的工作。石墨烯，单层和少层，是一种主动可调的光学材料，其允许通过调节其化学势来控制带间和带内跃迁。利用石墨烯的这一独特特征，我们提出了多层石墨烯电介质堆叠，其中少层石墨烯优于单层石墨烯。尽管堆叠的总厚度仍然保持在纳米范围内，但是该器件可以在以下方面表现出优异的性能：（i）高调制深度，（ii）超宽带性能，（iii）由于固有的超材料特性而导致的超低插入损耗，（iv）纳米尺度覆盖区，（v）偏振独立性和（vi）集成到硅波导的能力。有趣的是，通过使用具有精心设计的超材料的几层石墨烯可实现的这些优异性能可能无法使用单层石墨烯。有效介质理论和广义传递矩阵法都验证了我们的建议。
2015-04-14 physics.optics
Optically-Nonactive Assorted Helices Array with Interchangeable Magnetic/Electric Resonance
本文报道了通过组装不同手性的金属螺旋来设计光学非有源超材料。利用线偏振入射光，可以选择性地实现纯电或磁共振，从而导致负介电常数或负磁导率。此外，我们表明，纯电或磁共振可以互换，在同一频带，只需改变入射光的偏振为90度。这种设计展示了一种独特的方法来构建超材料。
2010-12-13 physics.optics
Ultraprecise Detection of Low Molecular Weight Antibodies Using Mid-IR Toroidal Plasmonic Meta-Atoms
等离子体超材料可用于增强免疫传感应用的中红外传感器和检测器。主要的挑战是将这些技术集成到低成本、紧凑和有前途的平台中。在这项研究中，作为一种新兴的方法，我们利用环形共振等离子体元表面开发了一种超灵敏的无标记分析平台，用于在中红外区检测特定的抗生素。利用环形亚原子中鲁棒压缩电磁场的独特灵敏度，我们验证了我们提出的基于环形亚结构的技术可以在阿摩尔浓度下提供~0.6 KDa重量的生物目标的传感。我们相信，这种理解扩展了等离子体超材料的能力，可以高精度地分析特定生物目标的存在。
2019-04-04 physics.app-ph physics.optics
Tuning Optical Properties of Metamaterials by Mie Scattering for Efficient Sub-ambient Daytime Radiative Cooling
世界范围内产生的大量蛋壳生物废弃物在填埋场直接处理后会产生异味和微生物，因此蛋壳生物废弃物的管理已成为一个棘手的问题。在此，我们提出了一种新的方法，将有害的蛋壳生物废物转化为有价值的资源，用于能源管理应用。蛋壳基薄膜是通过将蛋壳粉末嵌入聚合物基质中来制备的，以实现高效的亚环境日间辐射冷却。受益于蛋壳颗粒/空气孔在太阳光谱中的米氏散射和蛋壳在中红外（中IR）范围中的强发射，蛋壳基膜在太阳光谱中呈现出0.96的高反射率和在中红外范围中呈现出0.95的高发射率，导致在白天和夜间期间比环境温度显著降低5°C和12°C的平均温度，分别此外，蛋壳基膜表现出优异的柔韧性和自清洁性能，这对于实际的长期户外应用是有益的。我们提出的设计提供了一种新的手段，对环境友好和可持续管理的蛋壳生物废弃物。
2023-01-24 physics.app-ph physics.optics
Broadband mid-infrared perfect absorber using fractal Gosper curve
由于表面等离子体共振固有的窄带宽，设计宽带超材料完美吸收体是具有挑战性的。本文报道了一种利用空间填充高斯曲线的超宽带超材料吸波体。优化结果表明，在2.64 ~ 9.79 μm范围内，整个中红外波段的平均吸收率为95.78%。同时，吸收体对入射光的偏振角和入射角不敏感。在我们的宽带吸收体中使用的基本物理原理涉及具有多个尺度的分形几何和耗散等离子体晶体。宽带完美吸收可以归因于在不同波长处的多个电共振，所述多个电共振由所定义的戈恩曲线中的几个段支持。
2019-08-20 physics.app-ph physics.optics
Spatially coherent surface resonance states derived from magnetic resonances
包括夹在金属光栅和接地平面之间的电介质间隔物的薄超材料板被示出为具有跨越大频率范围并且可以通过结构和材料参数来调谐的空间相干表面共振态。它们产生几乎完美的角度选择性吸收，从而表现出定向热发射率。直接数值模拟表明，超材料板支持宽频率范围内的空间相干热发射，对结构无序具有鲁棒性。
2010-06-22 physics.optics
Broadband Angular-selective Mid-infrared Photodetector
提出一种可无缝集成于中红外光电探测器的角选择性微结构阵列，利用光展量守恒实现宽带高角选择性，滤除非目标角度辐射，显著提升信噪比且对偏振和波长不敏感。
2025-04-29 physics.app-ph physics.optics
Tailoring Thermal Radiative Properties with Film-Coupled Concave Grating Metamaterials
本工作数值研究了薄膜耦合超材料的辐射特性，该超材料由二维金属凹面光栅制成，金属凹面光栅位于由介电层分隔的连续金属薄膜上。光谱选择性吸收表现在可见光和近红外区，其基本机制被阐明为局部磁极化激元（MP）或表面等离子体激元（SPPs）。在各自的谐振频率的电磁场分布的帮助下，解释了独特的行为的MPs和SPPs。利用电感-电容模型进一步确定MP的激发，而色散关系用于理解不同SPP模式的行为。讨论了脊宽和光栅周期对共振吸收峰的几何效应。此外，研究了不同偏振态下斜入射时的方向响应。在这里获得的基本理解将促进能量收集和传感应用中的新型超材料的设计。
2014-09-25 cond-mat.mes-hall physics.optics
Hyperbolic-metamaterial waveguides for long-range propagation
我们研究的光波导，包括层的材料和超材料与双曲型色散（HMM）。我们考虑在不同的波导几何形状（单界面或对称包层与不同层）的介电HMM界面的长程制度。与传统的几何参数分析不同，本文着重分析了组成材料的光学特性，并通过求解色散方程，分析了介质和隐马尔可夫模型的折射率对传输长度和模尺寸的影响。我们得出一个数字的优点，应该用于每个波导在一个广泛的范围内的介电常数值，以及比较它们与等离子体波导。我们表明，传统的等离子体品质因数，这是介电常数的实部与虚部之比，是不适用于具有复杂结构的波导的情况。考虑到范德华材料如六方氮化硼的最新进展，电信波长和中红外光谱范围都是感兴趣的。最后，我们评估的波导与六方氮化硼的范围内，它具有双曲线色散（6.2-7.3微米）的性能，我们确定的最佳波长为每种类型的波导。
2017-07-24 physics.optics
Tunable Mid-Infrared Chiral Selective Absorber Based on Asymmetric V-Shaped Metasurfaces Driven by Chiral quasi-Bound State in the Continum
University of Science and Technology Beijing（北京科技大学）
提出基于非对称V形超表面的纳米光子器件，利用连续区准束缚态（qBIC）模式实现左/右圆偏振光的高效区分，并通过结构缩放实现共振波长从5200到6200 nm的宽调谐。
2026-06-04 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
Electrically Driven Hyperbolic Nanophotonic Resonators as High Speed, Spectrally Selective Thermal Radiators
我们介绍和实验证明了一类新的电驱动的热发射器的基础上，全球对齐的碳纳米管超材料图案化的纳米带。超材料带表现出具有极端各向异性的电子和光子特性，这使得沿着一个轴的低损耗、波长压缩的双曲光子模式和沿着另一个轴的高电阻率和有效的焦耳加热成为可能。在单个芯片上批量制造的器件发射线性偏振的热辐射，其峰值波长由其双曲线共振决定，并且其低热质量产生高达1兆赫的红外辐射调制率。作为概念验证演示，我们展示了单个芯片上的两组热发射器，每个都以不同的光谱峰值位置和调制率工作，可以用于用单个检测器检测二氧化碳。我们预计，批量制造，宽调制带宽和定制的光谱调谐与双曲线芯片为基础的热发射器的组合将使传感，成像和计量应用的多路复用红外光源的新模式。
2022-01-08 physics.app-ph physics.optics
Strong interaction between graphene layer and Fano resonance in terahertz metamaterials
石墨烯因其独特的光学和电学性质而成为现代光学和光电子学领域的一个重要组成部分。在中红外和太赫兹（THz）区域，石墨烯表现得像金属一样，并支持表面等离子体共振（SPR）。此外，石墨烯的连续可调导电性使活性SPR成为可能，并产生了一系列活性应用。然而，石墨烯和金属基共振超材料之间的相互作用尚未完全了解。本文系统地模拟研究了双间隙开口环超材料中石墨烯层与太赫兹共振的相互作用。模拟结果表明，石墨烯层可以大大减少Fano谐振，甚至关闭它，而使偶极谐振几乎不受影响，这一现象很好地解释了石墨烯的高导电性。通过改变石墨烯的费米能或层数来操纵石墨烯的导电性，可以调制Fano共振的幅度。这里的可调谐Fano共振与潜在的物理机制一起，在设计活性金属-石墨烯混合超材料时具有战略重要性。此外，Fano共振对石墨烯层的“灵敏度”在超灵敏传感领域也受到高度赞赏，其中新的物理机制可以用于感测具有高电导率的其他石墨烯类二维（2D）材料或生物分子。
2017-03-22 physics.optics
Thermal Hyperbolic Metamaterials
本文研究了双曲型异向介质的近场辐射热能传递特性。在一个宽的带宽内独特的电磁状态的存在导致超普朗克热能转移由纳米间隙分开的异向材料之间。我们认为实际的声子极化激元材料的热工程在中红外范围内，并表明存在的效果，尽管损失，吸收和有限的晶胞尺寸。对于需要在近红外范围内进行能量传递的热光伏能量转换应用，我们引入了基于具有高熔点的等离子体材料的高温双曲超材料。我们的工作为双曲型超材料的高温辐射热能传递的实际应用铺平了道路。
2013-05-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Perfect Absorption in Ultrathin Epsilon-Near-Zero Metamaterials Induced by Fast-Wave Non-Radiative Modes
在金属和ε-近零超材料之间的界面处可以产生双光线表面等离子体激元。这种独特的功能诱导不寻常的快波非辐射模式在ε-近零材料/金属双层。这种特殊模式的激发导致低损耗超材料中的广角完美吸收。理想的吸收波长与ε近零超材料厚度的比值可以高达10^4;电磁能量可以被限制在薄至λ/10000的层中。与传统的快波泄漏模式不同，这些快波非辐射模式具有与空间波场自然匹配的准静态电容特征，因此很容易从自由空间访问。理想的吸收波长可以通过在保持结构厚度不变的同时调谐λ = 0波长而从中红外调谐到远红外。
2011-12-01 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Rapid chemically selective 3D imaging in the mid-infrared with a Si-based camera
新兴的中红外光学相干断层扫描（MIR-OCT）技术利用了MIR光在各种材料和设备中的散射减少，从而能够在更深的穿透深度进行断层扫描成像。然而，由于MIR检测技术的挑战，图像采集时间明显长于可见/近红外中的断层成像方法。在这里，我们展示了一种替代方法，MIR断层扫描与高速成像能力。通过飞秒非简并双光子吸收的MIR光在传统的Si基CCD相机，我们实现了宽视场，高清晰度的断层成像与化学选择性的结构材料和生物样品在短短几秒钟内。
2021-03-01 physics.ins-det physics.optics
Realizing high-quality, ultra-large momentum states using semiconductor hyperbolic metamaterials
我们采用有效介质近似（EMA）和布洛赫理论比较半导体双曲型超材料（SHMs）在中红外频率和金属双曲型超材料（MHMs）在可见光频率的色散特性。该分析揭示了EMA可以安全地应用于MHM和SHMs的条件。我们发现，精确的纳米级分层和较长的红外工作波长的组合，使SHMs以及有效的介质限制内，与MHMs相比，允许实现非常高的光子动量状态。此外，SHMs允许新的现象，如超快创建的双曲流形通过光泵。特别是，我们研究了通过光泵浦实现超快拓扑跃迁的可能性，该光泵浦可以在飞秒时间尺度上对适当设计的量子阱进行光掺杂。
2015-03-20 cond-mat.mes-hall physics.optics
Mid-IR chirality and chiral thermal emission through twisting
该研究利用范德华晶体的天然光学各向异性，通过实验证实α-MoO₃扭转双层结构具有本征手性，可通过白炽发光产生中红外手性光，无需光刻，为大规模手性滤光片和热源提供新平台。
2025-06-13 physics.optics
Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons
负折射提供了一个有吸引力的平台，操纵中红外和太赫兹辐射的分子传感和热辐射的应用。然而，其基于可用的超材料和等离子体介质的实现提出了与光学损耗、有限的空间限制以及在该光谱范围内缺乏主动可调谐性相关的挑战。在这里，我们证明了门可调负折射在中红外频率使用混合拓扑极化激元在范德华异质结构与高空间限制。我们实验可视化广角负折射表面极化激元的α-MoO 3薄膜部分装饰有石墨烯，经历平面纳米级聚焦到1.6%的自由空间波长。我们的原子厚异质结构通过避免折射界面处的散射损耗而优于传统的体材料，同时通过电选通实现主动可调谐性。我们提出极化激元负折射作为一个有前途的平台，红外应用，如电调谐超分辨率成像，纳米级热操纵，和分子传感。
2022-10-13 physics.optics
Mid-infrared directional surface waves on a high aspect ratio nano-trench platform
光学表面波，高度本地化的模式绑定到介质的表面，使光在纳米级的操纵，从而影响了纳米科学的广泛领域。利用人工设计的光学材料--超材料作为界面接触介质，可以显著改善表面波的传播，甚至产生新型的波。在这里，我们证明了高深宽比（1：20）的光栅结构与等离子体层在深纳米级沟槽功能作为一个多功能的平台，支持表面和体积红外波。表面波表现出独特的特性组合，如方向性，宽带存在（从4 μ m到至少14 μ m及以上）和高度局部化，使其成为有效控制红外频率范围内的光的有吸引力的工具。
2017-04-20 physics.optics
Ultra-wideband THz/IR Metamaterial Absorber based on Doped Silicon
基于超材料的吸收体在太赫兹（THz）范围内得到了广泛的研究，其性能不断提高。在本文中，我们提出了一种基于掺杂硅的全介质太赫兹吸收体。该单元电池由一个硅交叉谐振器与内部十字形空气腔。数值结果表明，该吸收体可以从太赫兹到中红外工作，在0.6和10太赫兹之间具有>95%的平均功率吸收。使用太赫兹时域光谱的实验结果显示出良好的协议与模拟。宽带反射的基本机制归因于由硅谐振器和衬底中的体吸收形成的多个腔模式的组合效应，如模拟场图案所证实的。这种超宽带吸收是偏振不敏感的，并且可以在很宽的入射角范围内工作。所提出的吸收体可以容易地集成到基于硅的平台中，并且预计将用于传感、成像、能量收集和无线通信系统。
2018-09-26 physics.app-ph physics.optics
Graded nanocomposite metamaterials for a double-sided radiative cooling architecture with a record breaking cooling power density
辐射制冷是一种新兴的无电制冷技术，它利用太空作为散热器。因此，通常需要一个面向天空的热发射器。由于环境温度下的黑体辐射限制，单面辐射冷却装置的最大冷却功率密度为~156.9 W/m2。在这里，我们报告了一个双面辐射冷却架构使用梯度纳米复合材料（GNM）设计的垂直对齐的热发射器。这种GNM结构在整个太阳光谱中具有超过90%的光吸收，并且在中红外光谱区域中具有超过90%的反射。通过这种结构，可以利用平板型散热器的两面进行辐射冷却，并在单个薄膜型散热器中实现了超过280 W/m2的创纪录冷却功率密度。在标准压力下，我们在实验室环境中实现了比环境温度低14摄氏度的温度降低，在室外测试中超过12摄氏度。
2020-03-23 physics.app-ph physics.optics
