Tunable Hyperbolic Metamaterials Based on Self-Assembled Carbon Nanotubes
我们发现，包装，水平排列的单壁碳纳米管薄膜是双曲超材料与超亚波长单位细胞和动态可调谐性。利用米勒矩阵椭圆偏振仪，我们表征了薄膜的掺杂水平相关的光学性质，并发现了一个宽带双曲区在中红外可调。为了表征面内双曲等离子体激元模式的色散，我们将纳米管膜蚀刻成相对于纳米管轴具有不同宽度和取向的纳米带，并且我们观察到双曲模式支持强光局部化。使用椭圆偏振数据的实验和理论模型之间的协议表明，包装的碳纳米管在纳米尺度上支持体各向异性响应。碳纳米管的自组装膜非常适合于热发射和光电探测中的应用，并且它们可以作为研究深亚波长区域中光-物质相互作用的模型系统。
2019-03-26 physics.app-ph 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
Non-local quantum gain facilitates loss compensation and plasmon amplification in graphene hyperbolic metamaterials
基于石墨烯的双曲型超材料被预测可以传输具有非常大真空波矢的倏逝场。特别是在高得多的波矢量值下，通常采用的涉及结构均匀化和近似局部石墨烯导电性的假设的几何模型开始崩溃。在这里，我们将石墨烯的非局域量子导电性模型与周期性结构的精确数学处理相结合，以开发用于确定这些石墨烯基双曲超材料的双曲行为的工具集。石墨烯的量子电导率模型有助于我们预测所考虑的结构的石墨烯片中的等离子体激元放大。这使我们能够扭转欧姆和温度损失的问题，使这种简单而强大的安排实际适用。我们分析了有限结构内部的电场分布，得出Bloch边界解可以用来预测其行为。与传输矩阵法，我们表明，在有限的温度和碰撞损失，我们可以补偿损失，恢复成像质量的有限结构通过引入化学不平衡。
2018-12-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Hyperbolic Metamaterial Nanoparticles for Efficient Hyperthermia in the II and III Near-Infrared Windows
由于金纳米颗粒在临床治疗应用中的潜在影响，在近红外（NIR）光谱区域中用于热疗治疗已经催化了大量的研究工作。然而，与纳米颗粒体积的平方成比例的光散射效应导致低吸收效率，这阻碍了金纳米颗粒在1000 nm以上的NIR II区域中的效用。在这里，我们通过引入由多层金/介电纳米盘制成的双曲超材料纳米颗粒来克服这一限制，并且在NIR II和III区域中表现出> 70%的吸收效率。它们的高光-热转换通过比具有相同量的金的金纳米盘大得多的温度增加来证明。有效的活细胞体外热疗与可忽略不计的细胞毒性显示了我们的方法为下一代生物医学应用的潜力。
2020-05-27 physics.app-ph physics.bio-ph
Optical Valley Hall Effect of 2D Excitons in Hyperbolic Metamaterial
二维半导体中电子的自旋和动量谷锁定使得谷自由度对于功能性光电子器件具有很大的实用性。由于不同谷的光学选择规则的差异，这些谷电子可以被光学寻址。这些材料中的电子和激子表现出谷霍尔效应，其中来自特定谷的载流子在电或热偏置下被引导到不同的方向。在这里，我们报告的光学谷霍尔效应的光发射的谷极化激子在单层WS2传播在不同的方向，由于激子发射的优先耦合到高动量态的双曲型超材料。实验观察到的效果与理论模型的激子发射在近场的双曲介质中证实。光谷霍尔效应的演示使用散装人工光子介质，而不需要纳米结构，打开了实现谷基激子电路在室温下工作的可能性。
2020-08-01 physics.app-ph physics.optics
First-principles study of the optical properties of BaMoO3/SrHfO3 hyperbolic metamaterials
本文通过第一性原理研究BaMoO3/SrHfO3双曲超材料，预测其在可见光范围内具有双曲特性且损耗显著降低，并验证了有效介质理论的准确性。
2023-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Experimental demonstration of tunable graphene hyperbolic metamaterial
按需调节宏观介电响应具有可主动调节的超光子学和光学器件的潜力。近年来，石墨烯作为纳米光子学中的可调谐元件得到了广泛的研究。大量的理论工作已经致力于调整石墨烯/电介质异质结构的双曲线性质，然而，到目前为止，这样的主题还没有被实验证明。在这里，我们专注于石墨烯/极化激元电介质超材料，具有由电介质的极性响应引起的强光学共振，通常难以主动控制。通过控制石墨烯的掺杂水平，通过外部偏压，我们实验证明了从费米能级EF = 0 eV到EF = 0.5 eV的宽范围的可调谐性，这产生了有效的ε-近零交叉和可调谐的介电性质，通过光谱椭圆偏振法和透射测量验证。
2019-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Design, fabrication, and spectral characterization of TM-polarized metamaterials-based narrowband infrared filter
双曲超材料作为一种非磁性各向异性人工结构，在一个方向上表现出金属特性，在正交方向上表现出介电特性。本项目提出的双曲型超材料滤波器设计为金属丝网垂直于介质材料的交替层，保持TM中心波长不变，对于不同角度的入射光在M波段。这种纳米结构的几何尺寸小于工作波长，并且由于双曲色散而支持大的波矢量。与传统的布拉格叠层相比，铜法克尔床使滤波器的传输特性相同。为此目的，需要最先进的制造方法来在非晶硅和二氧化硅的交替层中制造这种小尺寸。在这项工作中，首先，我们演示了模拟布拉格堆栈与RCWA和有限元方法。然后，我们专注于我们的第一次多步光刻方法用于制造过滤器。最后，我们利用傅里叶变换红外光谱实验验证所制作的滤光片的光学特性。实验和光谱数据表明，双曲超材料滤波器的传输特性保持相同的倾斜TM偏振入射光。
2022-01-17 physics.app-ph physics.optics
Zero-index and Hyperbolic Metacavities: Fundamentals and Applications
光学谐振腔（Optical Resonant Cavities，ORC）作为光操控的基本构件，在光操控中有着广泛的应用，它可以限制电磁波，改善光与物质之间的相互作用，在腔量子电动力学、非线性光学和量子光学中也发挥着重要作用。特别是近年来，由亚波长单胞组成的人工材料--超材料的兴起，极大地丰富了有机硅的设计和功能。在这里，我们回顾零指数和双曲型超材料构建新的ORC。本文首先介绍了零折射率和双曲型超材料的分类和实现方法。其次，总结了零折射率腔和双曲腔的独特性质，包括零折射率（双曲）亚腔的几何不变性、均匀/非均匀场分布和拓扑保护（反常标度律、尺寸无关性、高阶模连续性和无色散模）。最后介绍了零指数亚腔和双曲亚腔的一些典型应用，并对亚腔的研究进行了展望。
2021-05-26 physics.app-ph physics.optics
Data-driven design of multilayer hyperbolic metamaterials for near-field thermal radiative modulator with high modulation contrast
提出数据驱动的机器学习工作流程，结合多层感知机和贝叶斯优化设计由 $α$-MoO$_{\ m 3}$ 组成的多层双曲超材料，实现了 6.29 的最大热调制对比度，较单层结构提升 97%，为近场热辐射调制器设计提供了新途径。
2023-10-05 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Hyperbolic Metamaterials for Enhanced Scintillation
Tata Institute of Fundamental Research（塔塔基础研究所）；Birla Institute of Technology and Science Pilani（比拉理工学院）
提出光栅耦合双曲超材料，结合CsPbBr₃层与靶心光栅，通过高k模式和双曲共振锥增强闪烁信号，宽带增强超3倍，峰值约5倍，为高性能闪烁体提供实用途径。
2026-08-18 physics.app-ph physics.optics
A negative index metamaterial driven by phonons on a ZnO platform
本研究针对声子基负折射率超材料的晶体质量难题，设计了ZnO/(Zn,Mg)O异质结构声子驱动NIM，通过调控Mg含量与层厚实现I型双曲色散，经实验验证并为低损耗亚衍射光学应用奠基。
2024-12-10 physics.app-ph physics.optics
Hyperbolic spoof plasmons in layered equivalent graphene metasurfaces
石墨烯等离子体的进步为设计和制造各种纳米电子器件和其他令人兴奋的光学器件提供了许多机会。但是，由于材料性能的限制，其工作频率不能下降到微波范围。在这项工作中，微波等效石墨烯的新概念的基础上的单层等离子体超颖表面的提出和证明。基于这一概念，理论上可以通过周期性地堆叠等效石墨烯超颖表面来获得椭圆和双曲色散。作为概念和方法的证明，设计并数值演示了椭圆形和全金属双曲超材料。作为该方法的具体实现，制备了一种实用的双曲型超材料，并通过定向传输和光子自旋霍尔效应验证了该方法的有效性。此外，为了研究该方法在极端参数条件下的有效性，设计并制作了一个概念验证超透镜，其近场分辨率为0.05 $λ$的实验验证。基于所提出的概念，不同的光学石墨烯超材料，如调焦镜，色散相关的定向耦合器，和ε近零材料也可以在微波区实现。
2020-06-12 physics.app-ph 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
