Machine Learning enables Ultra-Compact Integrated Photonics through Silicon-Nanopattern Digital Metamaterials
University of Utah（犹他大学）；School of Computing, University of Utah（犹他大学计算学院）
在这项工作中，我们展示了三个超紧凑的集成光子器件，这是通过机器学习算法结合时域有限差分（FDTD）建模设计的。通过将设计域数字化为“二进制像素”，这些数字超材料也很容易制造。通过展示各种器件（分束器和波导弯曲），我们展示了我们的方法的一般性。由于占地面积小于${λ_0}^2$，我们的设计是迄今为止报道的最小的设计之一。我们的方法将机器学习与数字超材料相结合，以实现超紧凑，可制造的设备，这可以为新的“光子学摩尔定律”提供动力。"
2020-11-27 cs.LG physics.app-ph physics.optics
Topologically non-trivial photonic surface degeneracy in a photonic metamaterial
拓扑光子学的最新发展揭示了诸如外尔简并等各种有趣的现象。然而，在光子学中，还没有关于更高维度的拓扑非平凡简并的报道。在这封信中，拓扑带电光子表面简并具有双重螺旋对称性的螺旋结构证明。计算的陈数和光子费米弧支持表面简并的拓扑相位。我们还表明，光子系统可以工作在超材料和光子晶体制度，这有一个数量级不同的频率范围的螺旋材料的选择。这项工作表明了前所未有的光子拓扑特征与更高的维度的可能性。
2019-01-08 physics.optics
Extremely broadband topological surface states in a photonic topological metamaterials
超材料是一种由亚波长单胞组成的人工工程材料，以其优异的光学性能在光操控领域显示出巨大的潜力。特别是，具有拓扑保护表面状态的拓扑超材料能够实现对光的极其鲁棒的控制。在这里，我们展示了双螺旋结构的光子拓扑超材料中的极端宽带拓扑相位。特别是拓扑表面状态观察到的所有频率低于一定的截止，起源于一个双外尔点在零频率。光子拓扑超材料的极端带宽和鲁棒性对于诸如单向波导和光子集成系统的实际应用是有益的，但在设计和制造中也是有利的，因为唯一的必要条件是满足有效的双曲和手征性质，而不需要严格的周期性排列。
2019-01-06 physics.optics
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
Observation of photonic spin-momentum locking due to coupling of achiral metamaterials and quantum dots
在这里，我们报告的光子自旋动量锁定的形式，从非手性量子点（QD）的倏逝耦合到非手性双曲超材料（HMM）的定向和手性发射的观察。量子点和超材料之间的有效耦合导致这些光子拓扑模式的出现，这些模式可以在远场检测到。我们提供了理论解释的自旋动量锁定的出现，通过严格的建模的基础上光子格林函数的伪自旋的光产生耦合的量子点隐马尔可夫模型的倏逝模。
2020-10-31 physics.optics
Mie Scattering in the Macroscopic Response and the Photonic Bands of Metamaterials
我们提出了一个通用的方法数值计算的有效介电张量的超材料，并表明，我们的形式主义可以用来研究超材料超过长波长的限制。我们考虑了由高折射率圆柱形夹杂物组成的系统，并表明我们的方法再现了米氏共振特性和光子能带结构从多重散射的方法，从而打开了可能性，研究任意复杂的几何形状的共振为基础的负折射超材料在光波长的设计。
2019-09-20 physics.optics
Past Achievements and Future Challenges in 3D Photonic Metamaterials
光子超材料是一种人造结构，由密集堆积在有效材料中的定制微米或纳米结构金属介电亚波长构建块组成。这种看似简单，但功能强大，真正革命性的概念允许实现新颖的，不寻常的，有时甚至闻所未闻的光学特性，如在光学频率下的磁性，负折射率，大的正折射率，通过阻抗匹配实现零反射，完美吸收，巨圆二色性或增强的非线性光学特性。超材料的可能应用包括超高分辨率成像系统、紧凑型偏振光学器件和隐身设备。本文介绍了最近的实验进展，制作三维超材料结构，并讨论了一些剩余的未来挑战。
2011-09-01 physics.optics
Spin photonics on chip based on a twinning crystal metamaterial
针对下一代光子信息技术对高容量二维光子回路的需求，提出基于孪晶超材料的多通道自旋相关光子器件，利用自旋-动量锁定实现4条横向自旋通道，可保持入射光自旋态并传回自由空间，为自旋调控纳米光子应用提供新方案。
2023-05-19 physics.optics
Fano resonances in dielectric, metallic and metamaterial photonic structures
我们研究数值Fano共振激发的电介质，金属和左手圆柱体的周期性阵列。特别令人感兴趣的是在圆柱体的线性阵列中激发的Fano共振。分析了电磁场的空间分布和对称性，讨论了观测到的法诺共振与二维圆柱阵列频谱之间的关系。
2016-08-27 physics.optics
Negative-index bi-anisotropic photonic metamaterial fabricated by direct laser writing and silver shadow evaporation
我们提出了一种新的负折射率超材料的蓝图。这种结构是通过三维双光子激光直写和银影蒸发制备的。测量的线性光谱与理论的比较显示出良好的一致性，并揭示了在约3.85微米波长处折射率的负实部-尽管超材料结构由于沿其表面法线缺乏反转对称性而具有双各向异性。
2008-09-12 physics.optics
Photonic spin Hall effect in hyperbolic metamaterials at visible
传输中的光子自旋霍尔效应是取决于入射光束的偏振的出射光束的横向光束移位。具有高各向异性的材料可以显著增强这种效果。我们报告的第一个实验演示的光子自旋霍尔效应在多层双曲形超材料在可见光波长（波长为520 nm和633 nm）。该超材料由金和氧化铝交替层组成，具有深亚波长厚度，表现出极大的各向异性。角分辨偏振测量显示对于厚度为176 nm的超材料的165 $μm$的偏移。另外，横向光束偏移对入射角的变化极其敏感，理论上入射角变化为270个具有一毫弧度的$μm$（$0.057^\circ$）。这些特征可以导致具有高角分辨率的小型化自旋霍尔开关和滤波器。
2018-07-10 physics.optics
Twisted split-ring-resonator photonic metamaterial with huge optical activity
耦合开口环谐振器超材料先前已被证明具有大的耦合效应，这是获得大的有效光学活性的先决条件。通过适当的横向排列，我们完全消除了线性双折射，获得了纯旋光性和相关的圆光学二向色性。在100太赫兹频率附近的实验和相应的建模是在良好的协议。对于厚度为205nm的样品，得到了约30度的旋转角。
2010-01-25 physics.optics
Three dimensional photonic Dirac points in metamaterials
拓扑半金属，代表一种新的拓扑相，缺乏一个完整的带隙在体状态和表现出非平凡的拓扑秩序，最近已经扩展到光子系统，主要是在光子晶体和在较小程度上，超材料。狄拉克简并的光子晶体实现受到各种空间对称性的保护，其中布洛赫模式跨越自旋和轨道子空间。在这里，我们从理论上表明，狄拉克点也可以实现在有效介质中，通过电磁对偶下的电磁学中的固有自由度。在空气与Dirac材料的界面处观察到一对自旋极化的费米弧表面态。这些表面态呈现线性的k空间色散关系，导致几乎无衍射的传播。此外，本征反射场显示从狄拉克点到两个外尔点的分解。我们还发现了经典光子学中Dirac点和涡旋/矢量光束之间的拓扑关联。光子狄拉克点的理论提出为揭示电磁学中内禀物理与整体拓扑之间的联系奠定了基础。
2017-10-20 physics.optics
Controlling evanescent waves using silicon photonic all-dielectric metamaterials for dense integration
在CMOS代工平台上制造的超紧凑、密集集成的光学部件对于光学信息处理和电子-光子共集成是非常期望的。然而，在硅光子器件中普遍存在的由纳米尺度限制引起的大空间范围的倏逝波导致显著的串扰和散射损耗。在这里，我们证明了各向异性全介质超材料打开了一个新的自由度，在全内反射，以缩短衰减长度的倏逝波。我们的实验表明，减少串扰大于30倍，弯曲损耗大于3倍，在密集集成，超紧凑的光子电路块。我们的原型全介质超材料波导实现了约3.7 dB/cm的低传播损耗，与硅条形波导的传播损耗相当。我们的方法标志着从干涉为基础的限制，如在光子晶体或槽波导，利用纳米级场增强的出发。其抑制倏逝波而不显著增加传播损耗的能力将为基于全电介质超材料的密集集成铺平道路。
2018-07-04 physics.optics
Intra-connected three-dimensionally isotropic bulk negative index photonic metamaterial
各向同性负折射率超材料（NIM）是非常需要的，特别是用于实现超高分辨率透镜。然而，现有的各向同性NIM仅在二维上起作用，并且不能被微型化超过微波。直接激光写入工艺可以是朝向三维（3D）各向同性块体光学超材料的制造的范式转变，但仅以额外的设计约束（即连接性）为代价。在这里，我们证明了一个原则性的设计，要求连接并不排除完全各向同性的左手行为。这是实现光学波长下的体3D各向同性NIM的重要一步。
2010-04-02 physics.optics
Observation of photonic Fermi arcs in topological metamaterials
拓扑相的发现为最初在量子背景下研究的各种有趣的物理学引入了新的视角和平台，然后在平等的基础上，在经典的波动系统中，如光子学，声学和力学。非平凡费米弧作为一个特征，连接拓扑上不同的费米面，在澄清狄拉克和外尔半金属中起着至关重要的作用，并且最近在量子材料中被观察到。然而，在经典系统中，到目前为止还没有直接的实验观测到费米弧的动量空间。在这里，使用近场扫描测量，我们观察到一个光子费米弧连接的拓扑结构不同的体态的手征双曲型超材料。为了验证该系统的拓扑性质，我们进一步观察了非平凡表面波在三维物理台阶上的后向散射免疫传播。我们的研究结果表明，超材料的拓扑光子学的方法，并提供了一个更深入的理解三维经典系统的拓扑相。
2017-06-05 physics.optics
The reversibility of the Goos-Hänchen shift near the band-crossing structure of one-dimemsional photonic crystals containing left-handed metamaterials
对含有左手材料的一维光子晶体中的古斯-哈兴位移进行了理论研究。我们发现在光子带交叉结构附近存在一种特殊的GH位移效应，在斜入射下，它位于条件$% -k_{z}^{(A)}d_{A}=k_{z}^{(B)}d_{B}=mπ$ $(m=1,2,3...)$下，这里A表示LHM层，B表示介质层。在带交叉点（BCP）频率以上，随着入射角的增加，GH位移由负向正变化，而在BCP频率以下，GH位移变化不大。这种效应是解释的带交叉结构的相位特性。
2009-05-11 physics.optics
The Photonic Band theory and the negative refraction experiment of metallic helix metamaterials
我们首次发展了一种理论来计算和解释金属螺旋周期阵列的光子能带结构。能带结构的有趣特征包括精巧的纵向和圆偏振本征模、宽的偏振间隙[Science 325，1513（2009）]，并且螺旋对称性保证了在偏振间隙的两侧存在负群速度带和以固定频率钉扎在区域边界处的带交叉。通过测量穿过三维真实螺旋超材料板的Gooshchen位移，首次实现了经由手性途径的负折射的直接证明[Science 306，1353（2004）]。
2010-06-14 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
Zero permeability and zero permittivity band gaps in 1D metamaterial photonic crystals
我们考虑的层状异质结构结合普通的正折射率材料和色散的超材料。我们发现，这些结构可以表现出一种新的类型的光子带隙的频率附近的超材料的磁导率μ或介电常数ε为零。虽然具有零折射率的半无限介质的界面（当μ= 0或ε= 0时达到的条件）已知对所有入射偏振都具有全反射率，但在这里，我们表明对应于μ= 0的间隙仅出现在TE偏振波中，而对应于ε= 0的间隙仅出现在TM偏振波中。这些带隙是尺度长度不变的，并且对无序非常鲁棒，尽管它们可能在沿着分层方向传播的特定情况下消失。
2006-06-07 physics.optics
Phase diagram for the transition from photonic crystals to dielectric metamaterials
光子晶体和超材料代表了两种看似不同的人工电磁介质，但它们通常由以周期性晶格排列的类似结构元件组成。重要的问题是如何区分这两种类型的周期性光子结构的参数，如介电常数和晶格间距，连续变化。在这里，我们讨论之间的过渡光子晶体和全介质的超材料，并介绍了一个相图和序参量的概念，这种结构的材料，基于米氏和布拉格共振的物理。我们表明，一个周期性的光子结构转换成超材料时，米氏间隙打开低于最低的布拉格带隙的均匀化方法可以证明和有效的磁导率变为负值。我们的理论方法证实了详细的微波实验组成的一个正方形晶格的玻璃管充满热水的亚晶。这种分析产生了对周期性光子结构的性质的深入了解，它也提供了一个有用的工具，用于设计不同类别的电磁材料在广泛的参数范围。
2015-07-31 cond-mat.mes-hall physics.optics
Ultrafast terahertz superconductor van der Waals metamaterial photonic switch
本研究设计了基于高温超导BSCCO范德华材料的超快太赫兹超材料光子开关，实现相位和幅度调制，开关时间50皮秒，并探讨了光-物质相互作用动力学，适用于通信和量子技术。
2023-12-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.app-ph
Photonic Analogue of Two-dimensional Topological Insulators and Helical One-Way Edge Transport in Bi-Anisotropic Metamaterials
最近在了解凝聚态物质的拓扑性质方面的进展导致了时间反演不变拓扑绝缘体的发现。由于自然界的限制，拓扑非平凡的电子秩序似乎是罕见的，除了在小带隙半导体与强自旋轨道相互作用。在这篇文章中，我们表明，人工电磁结构，称为超材料，提供了一个有吸引力的平台，设计光子类似物的拓扑绝缘体。我们证明，一个明智的选择的超材料参数可以创建光子相位，支持一对螺旋边缘状态，这些边缘状态使单向光子传输，是强大的对无序。
2012-04-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.optics
New horizons in near-zero refractive index photonics and hyperbolic metamaterials
本文概述了近零折射率和双曲超材料在光与热发射、非线性光学、传感及时变光子学等新兴领域的研究现状、挑战及其对控制光与物质相互作用的重要意义。
2023-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Crystalline metamaterials for topological properties at subwavelength scales
拓扑凝聚态系统的令人兴奋的发现最近引发了对其光子类似物的搜索，其动机是强大的背散射免疫光传输的可能性。然而，拓扑光子相位到目前为止只在光子晶体和波导阵列中观察到，这是固有的物理波长缩放，阻碍了它们在紧凑的亚波长系统中的应用。在这封信中，我们通过将超材料的深亚波长谐振元件图案化到特定的晶格上来解决这个问题，并创建晶体超材料，该晶体超材料可以由于多次散射而产生复杂的非局部特性，尽管它们的亚波长空间尺度通常意味着忽略它们的结构。这些空间色散系统可以支持亚波长拓扑相位，我们证明在微波直接场映射。我们的方法为光子拓扑相的研究提供了一个简单的桌面平台，并允许设想有利于超材料的紧凑性和拓扑绝缘体的惊人潜力的应用。
2017-05-25 physics.optics
Photonic Spin Hall Effect in Waveguides Composed of Two Types of Single-Negative Metamaterials
偏振控制光信号路由在光子学中有许多重要的应用，如偏振分束器。利用二维集总元件传输线，实验研究了由两种单负异向介质构成的波导中导模的选择性激发。放置在两种单负超材料界面附近的局部圆偏振发射器仅与一个导模耦合，该导模具有由源的偏振手性确定的特定传播方向。此外，这种光学自旋-轨道锁定现象，也称为光子自旋霍尔效应，对界面波动具有鲁棒性，这在电磁信号的操纵中可能非常有用。
2017-11-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Two-color all-optical switching in Si-compatible epsilon-near-zero hyperbolic metamaterials
本文提出一种硅兼容的介电常数近零双曲超材料，实现可见与近红外双波长超快全光开关，开关时间达数百飞秒，可应用于太赫兹调制。
2023-05-11 physics.optics
Zitterbewegung-like effect near the Dirac point in metamaterials and photonic crystals
本文对超材料平板在零折射率点附近的类齐特贝韦根效应进行了物理解释。在以零折射率点为中心的负折射率区和正折射率区之间，超材料平板的透射谱分布是不对称的。当对称脉冲传播通过超材料板时，由于板的透射光谱的不对称性，其透射光谱变得不对称，导致具有不对称时间形状的透射脉冲。这种不对称性表现出一种时间上的拖尾振荡，即，Zitterbewegung效应。此外，还讨论了脉冲的时间和空间宽度以及超材料板的厚度对传输脉冲拖尾振荡的影响。我们的结果与其他研究人员在相对论量子概念的强度上获得的结果一致;然而，我们分析的观点是经典的，与相对论量子力学无关。
2010-10-26 physics.optics
Topological Photonic Phase in Chiral Hyperbolic Metamaterials
最近，通过模仿某些固态系统（例如拓扑绝缘体）内存在的拓扑顺序来实现光的单向反向散射免疫传输的可能性受到了很多关注。然而，到目前为止，光子学中的非平凡拓扑结构的演示依赖于具有精确设计的晶格结构的光子晶体，其在操作波长的尺度上是周期性的，并且由精细调谐的复杂材料组成。在这里，我们提出了一种新的有效介质的方法，实现拓扑保护的光子表面状态强大的所有长度尺度上的无序和广泛的材料参数。值得注意的是，我们的超材料设计的非平凡拓扑结构是由均匀介质中电磁波的横向性引起的Berry曲率引起的。因此，我们的研究起到了弥合拓扑能带理论和经典光学现象，如光的自旋霍尔效应之间的差距。拓扑相位的有效介质路径将为电磁波在集成光子电路中的高度紧凑的单向传输铺平道路。
2014-12-19 physics.optics
Photonic band-gap engineering for volume plasmon polaritons in multiscale multilayer hyperbolic metamaterials
本文从理论上研究了大波矢波（体等离子体激元）在具有两层结构的多层双曲型超材料中的传播。我们表明，当一个亚波长的金属-电介质多层（“子结构”）的参数调制（“超结构”）在一个更大的波长尺度上，所产生的多尺度双曲型超材料中的体等离子体激元的传播受到光子带隙现象。通过改变超结构的几何形状，可以对这种等离子体激元进行很大程度的控制。当这种几何形状是周期性的时，由于布拉格反射而在体等离子体带内形成阻带。当在另外的周期性超结构中引入腔层时，法布里-珀罗性质的共振峰存在于阻带内。更复杂的上部结构的几何形状也被认为是。例如，分形Cantor类多尺度超材料被发现在体积等离子体带中表现出特征性的自相似光谱特征。多尺度双曲型超材料被证明是一个有前途的平台，大波矢体等离子体波，无论是被认为是作为一种新的信息载体或远场亚波长成像。
2014-04-17 physics.optics
Unlocking optical coupling tunability in epsilon-near-zero metamaterials through liquid crystal nanocavities
本研究利用高双折射液晶纳米腔和表面力仪，在ENZ超材料中实现了腔模耦合的主动调控与反交叉操控，为可调谐光子器件和片上光谱仪提供了新途径。
2023-07-05 physics.app-ph physics.optics
Analysis of Bessel Beam Generation Using MetaMaterials in Photonic Integrated Circuits
本文通过理论分析和仿真，提出一种在硅波导上布置同心环超表面阵列的光子芯片设计，用于在光通信和太赫兹波段产生贝塞尔光束，实现了500 um无衍射范围和超过80%的辐射效率。
2024-06-09 physics.app-ph physics.optics
Photonic Chern insulators made of gyromagnetic hyperbolic metamaterials
利用人工光子晶体和电磁超材料控制光的传播是光子学领域的一个重要课题。值得注意的是，在光子Chern绝缘体的表面上或界面处的手性边缘态可以用于制造无反射波导。本文通过理论分析和电磁模拟，证明了旋磁双曲型超材料（GHM）是一种具有优良特性的光子Chern绝缘体。作为一种新的机制，在这些超材料中的双曲和旋磁效应的同时发生被证明打开与间隙陈数为1的大拓扑带隙。重要的是，与许多其他光子陈氏绝缘体不同，GHM陈氏绝缘体在其表面上具有非辐射手性边缘模式，因此允许在没有包覆金属的情况下制造单向波导，而包覆金属通常会产生相当大的欧姆损耗。此外，与晶体拓扑绝缘体相比，Chern绝缘体中的光子边缘态在很宽的长度尺度上都具有很强的抗无序性，并且通过改变外加磁场的方向，Chern绝缘体表面上的光流动方向可以很容易地翻转.有趣的是，我们发现拓扑表面波的负折射发生在GHM与旋磁参数相反的符号之间的边界。最后，我们表明，与其他光子拓扑材料，如手征双曲材料相比，目前的GHM陈氏绝缘体可以更容易地制作。
2019-11-19 cond-mat.mes-hall physics.optics
Four-wave mixing, quantum control and compensating losses in doped negative-index photonic metamaterials
研究了在负折射率超材料中掺杂共振非线性光学中心补偿吸收的可能性。讨论了NIM中量子干涉的作用和对向传播电磁波的四波参量放大的特殊性质。
2007-08-13 physics.optics 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
Complex k band diagrams of 3D metamaterial/photonic crystals
提出了一种求解三维超材料/光子晶体系统复色散曲线的有限元方法。这种三维方法是以前报道的二维特征值方法的推广。这种方法对于分析包含色散的周期性系统（例如，等离子体）材料，用于计算k空间中的等离子体表面，以及用于计算倏逝波的衰减长度。两个具体的例子被认为是：一个光子晶体包括电介质球和等离子体渔网结构。杂交和避免米氏共振和传播模式之间的交叉数值证明。四个电磁模式区分其对称性的负折射率传播的等离子体激元渔网预测。通过计算等值线，我们还证明了渔网结构是一个双曲介质。
2011-05-31 cond-mat.mtrl-sci 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
Photonic Hyper-Crystals
介绍了一种新的人工光学介质-光子超晶体。这种介电常数在亚波长尺度上具有周期性空间变化的双曲型超材料，结合了光学超材料和光子晶体的特点。特别地，由超晶体支持的表面波具有光子晶体中的光学Tamm态和金属-电介质界面处的表面等离子体激元的性质。
2014-02-04 physics.optics
Stationary Charge Radiation in Anisotropic Photonic Time Crystals
时间超材料在波操纵方面表现出巨大的潜力，近年来引起了人们的广泛关注。在这里，我们探讨了奇异的波动动力学的各向异性光子时间晶体（APTC），形成的各向异性介质，其光学性质是均匀的，周期性地随时间变化。基于时间转移矩阵的形式主义，我们表明，一个固定的电荷嵌入在APTC可以发射辐射，在各向同性光子时间晶体的情况下，其在动量空间的分布是由APTC的能带结构控制。我们的方法扩展了时间超材料的功能，为同时产生和控制辐射提供了新的机会，对经典和量子应用都有影响。
2023-02-01 physics.app-ph physics.optics
Photon density of states engineering with generative inverse design for scalable 3D photonic metamaterials
Lund University（隆德大学）
本文提出一种端到端逆向设计框架，通过生成对抗网络生成目标光子密度态参数，实现3D光子超材料的高效设计，展示了高局部光子密度态结构的优异性能。
2026-04-08 physics.optics
Trapping Light in Plain Sight: Embedded Photonic Eigenstates in Zero-Index Metamaterials
限制电磁能对于增强光-物质相互作用至关重要，对科学和技术具有重要意义。在这里，我们讨论了在开放结构中捕获和限制光的机会，基于零折射率超材料实现的辐射连续体内嵌入本征态的概念。基于我们的分析所提供的物理见解，我们提出了一个通用平台，可以在外部照明下在开放结构中实现极高的场增强。支持嵌入本征态的结构是物理系统中可以驯服极端（原则上是无界的）响应的一个罕见例子。我们提出的设计配方，以实现连续的束缚态也提供了一个简单的模型，允许测试的重要问题，围绕嵌入本征态的概念，如它们对光子态的局部密度的影响。我们的研究结果有助于澄清哪些纳米光学和无线电波应用可能受益于这种不寻常和奇异的反应。
2018-02-05 physics.optics
Photonic simulation of topological excitations in metamaterials
具有拓扑有序性的凝聚态系统和具有左手手性的超材料是近年来物理学和光学领域的研究热点。到目前为止，这两个领域是独立的，没有工作来解决他们的联系。在这里，我们建议建立在凝聚态系统的拓扑秩序和超材料的手征之间的关系，明确映射麦克斯韦方程组的狄拉克方程在一维。本文报道了一种在Dirac方程中实现能带反转的实验方法，这种方法伴随着电磁波在异向介质中的手征性变化，并首次在微波中测量了一维空间中的拓扑激发和拓扑相位。我们的发现提供了一个原理证明的例子，在超材料中的电磁波可以用来模拟在受控的实验室环境中的凝聚态系统的拓扑秩序和相对论量子力学中的量子现象。
2012-11-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Control of the local photonic density of states above magneto-optical metamaterials
本文研究外磁场作用下磁光超材料附近的局域光子态密度，证明通过改变磁场取向或大小可在窄或宽光谱范围内高效调控 LDOS，为深亚波长尺度主动控制光子态密度提供途径。
2024-05-24 cond-mat.mes-hall physics.optics
Ideal Unconventional Weyl Point in a Chiral Photonic Metamaterial
非常规Weyl点（WPs），携带拓扑电荷2或更高，具有不同于普通电荷-1 WPs的有趣特性，包括在布里渊区的大部分区域上延伸的多个费米弧。到目前为止，已经在手性材料和声学超材料中观察到了这样的WP，但是在光子学中还没有明确的证明，其中非常规的光子WP与平凡的带分离。我们在三维拓扑手征微波超材料中实验实现了理想的保偏光子电荷-2WP。我们使用场映射直接观察投影的体色散，以及两个长的表面弧，形成一个不可收缩的环周围的表面布里渊区包装。表面状态跨越约22.7%相对带宽的记录宽的频率窗口。我们证明了表面态具有一种新的拓扑自准直特性，并且对无序具有鲁棒性。该工作为探索非常规WP的基础物理和应用提供了一个理想的光子学平台。
2020-07-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.optics
Significant crosstalk reduction using all-dielectric CMOS-compatible metamaterials
最近的一个计算结果表明，高限制模式可以实现全介质超材料（S。贾哈尼等例如，Optica 1，96（2014））。这大大减少了介质波导之间的串扰，为高密度光子电路铺平了道路。在这里，我们通过实验证明，在一个标准的绝缘体上硅（SOI）平台上，在两个硅条形波导之间使用一个简单的超材料，导致耦合长度增加约10倍。所提出的结构可能会导致硅光子器件尺寸的显著减小。
2016-11-11 physics.optics
Asymptotic network models of subwavelength metamaterials formed by closely packed photonic and phononic crystals
我们证明，光子和声子晶体组成的紧密间隔的夹杂物构成了一个多才多艺的一类亚波长的超材料。直觉上，包围晶体的空隙和狭窄的间隙形成了一个类似亥姆霍兹共振器的互连网络。我们用这种直觉认为，这些连续的光子（声子）晶体实际上是渐近等效的，在低频率，离散的电容器-电感器（质量弹簧）网络的集总参数，我们推导明确。这种晶体相当于超材料，因为它们的整个声学分支，或者当离散模拟物是多原子时的分支，被挤压到亚波长区域，其中波长与周期的比例就像周期与间隙宽度的比例提高到1/4的幂;在更大的波长下，我们相应地发现一个非常大的有效折射率。完全解析色散关系预测的离散模型产生的色散曲线，同意从连续晶体的有限元模拟。从网络的方法获得的见解是用来表明，令人惊讶的是，由一个紧密堆积的六边形晶格的圆柱体所创建的连续体是由一个离散的蜂窝晶格。类比是用来表明，六方连续晶格有一个Dirac-point退化，解除在一个受控的方式，通过指定的区域的一个破缺。
2017-07-10 physics.optics
Flexible but Refractory Single-Crystalline Hyperbolic Metamaterials
本研究通过磁控溅射在柔性云母基底上沉积难熔氮化物超晶格，成功制备出柔性单晶双曲超材料，其在可见至近红外波段具有低损耗、高优值的双频带双曲色散，且在加热和弯曲下保持优异稳定性，为高性能柔性光电器件提供了可扩展的制备途径。
2023-04-26 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
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
Realizing spin-dependent gauge field with biaxial metamaterials
电磁学中的人工磁场以其几何和拓扑性质成为一种新兴的光鲁棒控制方式。除了使用光子晶体或波导阵列在衍射机制中演示拓扑光子学特性之外，如果可以在长波长极限中简单地进行类似的操作，则将引起极大的兴趣，在长波长极限中仅可以使用几个光学参数来描述系统，使得未来的光学元件设计更加容易。在这里，我们通过设计和制作一个具有分裂色散表面的超材料，提供了一个简单的实验实现自旋相关的规范场在真实空间使用双轴材料。在这种规范场下，实验上观察到了光自旋霍尔效应的一种表现形式，即对所需赝自旋的光的“磁力弯曲”。这对发展赝自旋光学、拓扑元件和自旋变换光学器件具有潜在的意义。
2018-03-13 physics.app-ph physics.optics
Design, fabrication, and spectral characterization of temperature-dependent liquid crystal-based metamaterial to tune dielectric metasurface resonances
可调谐介电亚表面纳米结构在光学应用中提供了令人难以置信的性能，这是由于其非凡的偏振可调谐性和在红外范围内以低损耗设计光的光的色散。在这篇文章中，我们设计和实验测量的全介质亚波长硅纳米粒子的可调谐性的帮助下，基于温度的折射率的液晶在电信制度。用数值软件模拟了由高介电纳米盘包围的双液晶（NLC）结构，用预取向材料组装，并通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱进行了光学测量。模拟结果与实际测量结果相一致，表明该调谐器达到了30nm的可调谐性。利用各向异性的温度依赖性非线性电容器，以不同的速率对高介电纳米盘的电和磁共振模式进行剪裁。各向异性到各向同性液晶液晶的相位切换实现了全介电超颖表面的两种模式的光谱调谐，并且修改了超颖材料结构的光学响应的对称性。
2022-01-17 physics.app-ph physics.optics
Effective Medium Perspective on Topological Transitions in Metamaterials
光子结构的许多性质依赖于带拓扑，其特征在于整数不变量可以在拓扑转变期间改变，并产生无序鲁棒的拓扑边、角或界面状态。通常，这种结构的周期与波长相当。然而，在许多情况下，单位单元变得深亚波长，因此整个超材料可以用有效材料参数来描述。在这里，专注于亚波长拓扑超材料，我们确定的行为的介电常数和磁导率伴随的拓扑结构的例子具有$D_6$对称性的转变。
2022-03-22 physics.app-ph physics.optics
Slow Light Effect by Photonic Angular Momentum States
我们证明了超材料中的光子角动量态（AMS）可以用来实现慢光。光子AMS具有螺旋相位，光子的轨道角动量自由度。与传统的超材料慢光方案不同，由于螺旋相位的存在，光子自激系统对所有极化的自由空间辐射都是偶极禁戒的。通过对一种超材料设计的数值模拟，证明了该方案的可行性，即暗光子AMS的间接激发在高透射窗口中燃烧了一些透射凹陷。该慢光方案结合了暗光子自适应调制系统的独特优点，可以实现大于$\sim500$的高群折射率$n_g$。
2012-12-20 physics.optics quant-ph
RF-components embedded with photonic-band-bap (PBG) and fishnet-metamaterial structures for high frequency accelerator application
在高效率和高梯度射频加速器的发展中，已经设计了具有光子带隙（PBG）和渔网-超材料结构的射频波导和腔。所设计的结构包括一个周期性的波纹通道夹在两个光子晶体板与交替的高到低的介电常数和一个多单元腔谐振器设计与渔网超材料孔。我们感兴趣的结构设计旨在仅允许窄频率范围内的操作模式或频带传播。模拟分析表明，被捕获的非PBG模式被有效地抑制到~ -14.3 dB/cm，而PBG模式以~2 dB的插入损耗传播，对应于~1.14 dB/cm的衰减。对鱼网嵌入腔的初步建模分析表明，与典型的药盒或PBG腔相比，工作模式（TM 010）的Q因子和场梯度有明显的改善。Ka波段PBG波导和S波段渔网腔结构的制造目前正在进行中，它们将用微波测试台/8510 C网络分析仪和5.5 MW S波段速调管进行测试。这些结构可以应用于高频加速器中稳定的短束团形成和单色辐射。
2015-02-06 physics.acc-ph physics.optics
