Low-loss tunable metamaterials using superconducting circuits with Josephson junctions
我们报告的实验与超导材料含有约瑟夫森结。在这些结构中，传统超材料中使用的开口环谐振器被超导回路取代，超导回路被约瑟夫森结中断，所谓的rf-SQUID。与开口环谐振器一样，这些元件可以被视为耦合到磁场的LC谐振器。超导薄膜超材料的优点在于，由于约瑟夫森结的可调谐的本征电感，可以通过施加外部直流磁场来改变rf-SQUID的谐振频率。我们目前的实验结果表明，这些设备的谐振频率的可调谐性。
2013-01-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
SAW interdigitated transducers as topological mechanical metamaterial
建立了一种描述声表面波叉指换能器（IDT）各电极机械位移和电流的格点模型。叉指换能器的每个电极被视为一个质量块，它通过弹簧与相邻的电极机械连接，并通过电容器与相邻的电极电气连接。一个典型的SAW叉指换能器的导纳进行了模拟，并与精确的有限元法模拟的结果进行了比较。通过模拟称为打嗝谐振器的IDT结构的导纳来证明该晶格模型的实用性，该IDT结构在带隙的中心具有模式。它示出在这里，该模式是一个拓扑保护的边缘状态所描述的1D Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型。打嗝谐振器已经在商业产品中使用了几十年，因此它可以被认为是第一种大规模生产的拓扑机械超材料。
2019-10-24 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
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
Purcell effect in Hyperbolic Metamaterial Resonators
光发射器的辐射动力学可以通过适当设计的材料结构来操纵，该材料结构提供高的光子态局部密度，这种现象通常被称为Purcell效应。具有电磁模式的双曲色散的等离子体纳米棒超材料被认为提供具有宽带和非共振性质的显著的Purcell增强。在这里，我们研究了由纳米棒超材料形成的有限尺寸的腔，并表明在这些双曲谐振器中的Purcell效应的主要机制源于腔双曲模式，其在微观描述中源于形成腔的有限数量的纳米棒的相互作用的圆柱形表面等离子体模式。结果发现，垂直于纳米棒极化的发射体表现出很强的衰减速率增强，这主要是由棒的长度的影响。我们证明，这种增强源于超材料腔的法布里-珀罗模式。由这些腔模式传递的Purcell因子达到几百，这是在近零跃迁频率处出现的Purcell因子的4-5倍。增强的效果是不太明显的偶极子，沿杆极化。此外，它表明，由法布里-珀罗模式提供的Purcell因子遵循的尺寸参数的阵列，而衰减率在近零制度几乎是不敏感的几何形状。所提出的分析表明，在结构化的超材料中设计发射体特性，解决其微观结构的可能性。
2015-04-27 cond-mat.mes-hall physics.optics
Electromagnetically Induced Transparency and Absorption in Metamaterials: The Radiating Two-Oscillator Model and Its Experimental Confirmation
在超材料中电磁感应透明的几个经典的类似物已经被证明。一个简单的双谐振腔模型可以定性地描述它们的吸收光谱，但是不能提供关于散射特性的信息，例如，传输和群延迟。在这里，我们开发了一个替代模型，严格包括耦合的辐射谐振器的外部电磁场。这种辐射双振子模型可以定量地描述吸收谱和散射参数。该模型还预测了超材料的吸收比辐射元件的背景吸收大的窄光谱特征。电磁感应吸收的经典模拟示出发生时，辐射谐振器的耗散损耗和耦合强度都很小。这些预测随后在实验中得到证实。
2012-11-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Cooperative resonance linewidth narrowing in a planar metamaterial
我们从理论上分析了在非对称开口环谐振器的超材料阵列中谱线塌陷的实验观察[Fedotov等人，物理修订信函104，223901（2010）]。我们表明，合奏紧密间隔的谐振器具有合作的响应，解释了所观察到的系统尺寸依赖的传输谐振线宽变窄。我们进一步表明，这种合作狭窄依赖于晶格间距敏感，并显着更强的缩小可以实现抑制欧姆损失的媒体。
2012-09-17 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Analytical Model for Metamaterials with Quantum Ingredients
我们提出了一个分析模型来描述由相互作用的经典和量子共振结构组成的混合系统的复杂动力学。在我们的模型中的经典结构对应于不同几何形状的等离子体纳米谐振器，以及其他类型的纳米和微米结构的光学响应，可以描述而不调用量子力学处理。量子结构由原子或分子或其聚集体（例如量子点和碳纳米管）表示，只有使用量子方法才能精确建模。我们的模型是基于一组方程，结合完善的密度矩阵形式主义适合量子系统，再加上谐波振荡器方程的理想建模亚波长等离子体和光学谐振器。该模型还可以直接用于描述光子学领域之外的各种混合系统的电磁动力学，例如约瑟夫森结超材料或与RF条形谐振器耦合的SQUID元件。
2011-04-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Non-left-handed transmission and bianisotropic effect in a [pi]-shaped metallic metamaterials
一个[π]形金属超材料（几何上，C形谐振器和连续导线的组合介质）被提出来数值研究其在谐振频率附近的传输带，否则它应该是一个负磁导率（或负介电常数）阻带，如果单独考虑C形或连续导线成分。然而，与由开口环谐振器和导线以及其他金属LHM组成的左手材料（LHM）相比，这种谐振传输是非左手的，这是由于这种[pi]形超材料的电不对称配置所导致的固有双各向异性效应的结果。
2007-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.other
Tunable microwave impedance matching to a high impedance source using a Josephson metamaterial
我们报告了一个$50\,Ω$微波电路的高阻抗导体的有效耦合。我们使用的阻抗Transformer组成的$λ/4$共面谐振器，其内部导体包含一个超导量子干涉器件（SQUID）的阵列，提供了一个大的和可调的线性电感$\mathcal{L}\sim 80 μ_0$的谐振器，导致在一个大的特性阻抗$Z_C\sim 1\,\mathrm{k}Ω$。阻抗匹配效率的特征在于测量由连接到谐振器的直流偏置高阻隧道结发射的散粒噪声功率。我们演示了在$15$到$35\,\mathrm{k}Ω$范围内的阻抗匹配，其带宽高于$100\,\mathrm{MHz}$，谐振频率在$4$到$6\,\mathrm{GHz}$范围内可调。
2014-04-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Ultrastrong coupling of the cyclotron transition of a two-dimensional electron gas to a THz metamaterial
具有超强光-物质相互作用的人工腔光子谐振器由于可以操纵腔量子电动力学基态并使其物理性质可控而在半导体和超导系统中引起了广泛的兴趣。我们在这里报告的实验表明，超强的光-物质耦合在太赫兹超材料的回旋跃迁的高迁移率的二维电子气耦合到电子开口环谐振器阵列的光子模式。我们观察到真空拉比频率$Ω$和回旋频率$ω_c$之间的归一化耦合比$\fracΩ{ω_c}=0.58$。我们的系统似乎是可扩展的频率，并可能被带到微波光谱范围内的潜在的强烈控制的磁输运性质的高流动性的2DEG。
2012-05-04 cond-mat.mes-hall
Tailoring dielectric resonator geometries for directional scattering and Huygens' metasurfaces
在本文中，我们描述了一种方法来定制的超材料介质谐振器的设计，这是一个有前途的路径，在光频率的低损耗超材料。我们首先描述了一个程序来分解的多极场分量的亚波长谐振腔散射的远场，多极远场提供明确的表达式。我们应用这个公式来确认，一个孤立的高介电常数立方体谐振器具有频率分离的电和磁偶极共振，以及磁四极共振在接近电偶极共振。然后，我们引入多个介电间隙的谐振器的几何形状的微扰理论所建议的方式，并证明重叠的电和磁偶极子共振的能力，从而使定向散射满足第一Kerker条件。我们进一步证明了推动四极共振远离简并偶极共振，以实现本地行为的能力。通过多极展开证实了这些性质，并表明使用微扰理论建议的几何形状是实现超材料应用（如惠更斯超表面的波前操纵）的纯偶极共振的可行途径。我们的结果是完全可扩展的任何频段，其中高介电常数介电材料可用，包括微波，太赫兹和红外频率。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall physics.optics
Photon Generation from Quantum Vacuum using a Josephson Metamaterial
当系统的欧拉-拉格朗日运动方程中的一个参数被调制时，粒子可以从量子真空中产生。这种现象被称为动态卡西米尔效应，并且最近在超导电路系统中通过实验实现，例如通过使用由共面波导制成的调制谐振器或形成约瑟夫森超材料的超导量子干涉器件（SQUID）阵列。在本文中，我们考虑一个简单的电路模型的动态Casimir效应，由一个LC谐振器，与外部调制在10.8 GHz的电感器和谐振频率可调的范围为$\pm$ 400 MHz的5.4 GHz左右。电路分析经典使用电路仿真器（APLAC）。我们证明，如果一个额外的源的经典噪声耦合到谐振腔（量子真空的顶部），例如通过耗散的“内部模式”，然后在腔中的光子的光谱将呈现两个强烈的不对称分支。然而，根据动态卡西米尔效应的理论，这些分支应该是对称的，我们的实验数据证实了这一预测。因此，这里给出的模拟表明，在我们的约瑟夫森超材料实验中产生的光子的起源是量子真空，而不是一个虚假的经典噪声源。
2014-01-30 cond-mat.mes-hall gr-qc quant-ph
Terahertz Metamaterial Renormalization of Superconducting Josephson Plasmons in La$_{1.85}$Sr$_{0.15}$CuO$_4$
本研究通过超材料谐振器阵列与铜氧化物超导体LSCO的约瑟夫森等离激元耦合，实现了太赫兹频率的重整化，并展示了可调谐ENZ超材料的非线性响应，为腔操控超导研究提供了新视角。
2024-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Broadband terahertz generation from metamaterials
太赫兹光谱范围约为0.1至15 THz，是最少探索但技术变革最多的光谱区域之一。当前的一个挑战是开发具有宽带和无间隙光谱的高效和紧凑的太赫兹发射器/检测器，其可以针对各种泵浦光子能量进行定制。在这里，我们展示了有效的单周期宽带太赫兹产生，范围从约0.1至4太赫兹，从一个薄的层的开口环谐振器与几十纳米的厚度在1.5微米（200太赫兹）的电信波长泵浦。太赫兹辐射是由开口环谐振器的磁偶极共振激发产生的，在非共振泵浦下会迅速衰减。这，连同泵浦偏振依赖性和功率缩放的太赫兹发射，确定了在开口环谐振器中的光致非线性电流的作用。我们还揭示了一个巨大的片非线性极化率$\sim$ 10 $^{-16}$ m $^2$ V $^{-1}$，远远超过薄膜和散装非中心对称材料。
2014-02-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Stopping and reversing sound via dynamic dispersion tuning in a phononic metamaterial
减慢、停止和反转信号是信息处理的核心功能。在这里，我们表明，这种功能可以通过调谐通过一个dispersionless，或平坦，带的周期性系统的色散实现。具体来说，我们提出了一种基于平板谐振器的声子超材料，其中声子带色散可以通过调制均匀的预应力从类声学特性修改为光学特性。开关是通过改变基模之间的有效耦合的符号来实现的，这通常导致在过渡点处的几乎无色散的带。我们演示了如何绝热调谐的频带色散可以在一维谐振器链的模拟中抑制和逆转声脉冲的传播。我们的研究依赖于独立于任何特定材料的薄板弹性的基本原理，使我们的结果适用于不同的长度尺度和实验平台。更广泛地说，我们的方法可以是超材料和电子异质结构。
2021-04-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Plasmon hybridization in pyramidal metamaterials: a route towards ultra-broadband absorption
金字塔形超材料是目前发展的超宽带吸收体。它们由交替的金属/电介质层的周期性阵列组成，形成基于截顶正方形的金字塔。长度增加的金属层起到垂直耦合等离子体共振器的作用，并且在较小程度上起到横向耦合等离子体共振器的作用。基于详细的数值模拟，我们证明了等离子体激元杂交这种谐振器有助于实现超宽带吸收。个别谐振器的偶极模式示出是突出的电磁耦合机制。相邻金字塔之间的横向耦合和交替层之间的垂直耦合被证明是用于调谐等离子体激元杂交的关键参数。在优化之后，Au/Ge金字塔的操作带宽（即，吸收高于90%的带宽）在0.2-5.8微米波长范围上延伸，即，从UV可见光到中红外，并且总吸收（在操作带宽上积分）总计为98.0%。验证了该器件的全方向性和偏振无关的高吸收特性。此外，我们还表明，介电层材料（Si与Ge）的选择对于实现超宽带特性并不重要，这为设计和制造提供了多功能性。简要讨论了现实的制造场景。这种等离子体杂交路线可能有助于开发光热设备，热发射器或屏蔽设备，从近红外探测器隐藏物体。
2014-04-07 cond-mat.mes-hall physics.optics
Superconducting quantum metamaterials as active lasing medium: Effects of disorder
由超导电路或量子点形成的超材料在耦合到微波谐振器时可以用作有源激光介质。对于这些人造原子，与真实原子相比，它们的参数变化是不可避免的。在本文中，我们研究了无序对这种多原子激光装置的影响。我们发现，激光过程演变成一个自组织的稳态，是相当强大的对无序。原因是那些与共振器共振或接近共振的原子所产生的光子也会激发更多失谐原子的发射。不仅光子数随着原子数的增加而增加，而且共振宽度也是失谐量的函数。类似的性质被发现为其他类型的障碍，如在个别耦合的变化。我们提出的关系如何允许的无序尺度与原子的数量，并确认它的数值分析。我们还提供了估计的样品到样品的变化，预计与中等数量的原子设置。
2016-02-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dirac Metamaterial Assembled by Pyrene Derivative and its Topological Photonics
在过去的十年中，拓扑学在物理学的广泛领域中获得了极大的关注。特别是，它对光子学产生了影响，因为精心设计的光子晶体和超材料可以帮助探索材料的非平凡状态。在这方面，具有大各向异性的所有电介质超材料以及偶极和多极Mie谐振器在拓扑光子学中发挥了越来越重要的作用。Mie共振器的优点使得在三维空间中寻找非平凡态成为可能，理论计算支持了它的潜力。然而，这是非常困难的实验证明，因为它是很难使各向异性的亚原子，尽管努力。在这里，我们报告了一个三维拓扑光子学的狄拉克超材料。它是由一个亚晶自组装的分子，HYLION-12，它具有各向异性的极化率和环电流。由于其特殊的光学性质，它具有奇异的光学常数，可用于电磁双曲超材料，以及紫外区的双曲超材料。在242 nm处作为放大反射器，其反射率为142%;在300 nm处作为惠更斯光源，其透过不透明基底的非对称透射率高达30%。此外，它演示了各种拓扑光子学现象，如Pancharatnam-Berry和波导相位合并，波前整形和波导的边缘作为一个3D拓扑光子材料。利用多环芳烃（PAHs）的新策略有望成为实现三维拓扑光子学的有效途径。
2021-01-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Resonance linewidth and inhomogeneous broadening in a metamaterial array
我们研究了非均匀加宽对由非对称开口环谐振器组成的平面超材料的集体响应的影响。我们表明，当单个元原子共振频率的加宽大约是表征裂环不对称性的频率的一半时，这样的响应会导致传输共振，该共振可以持续存在。我们还发现，较大程度的非均匀加宽可以大大改变合作的响应，破坏这种共振。由于非均匀加宽而导致的合作响应的降低的效果可以应用于生产超材料样品，该超材料样品更接近地模仿具有明确定义的磁化率和介电常数的均匀磁介电介质。
2012-09-27 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
