Engineered Optical Nonlocality in Nanostructured Metamaterials
我们分析了金属-电介质纳米结构超材料的色散特性。我们证明，在一个鲜明的对比，相应的有效介质的结果，该结构表现出强烈的光学非局域性，由于激发表面等离子体激元，可以通过改变金属和介电层的厚度之间的比率进行工程。特别是，这种非局部性允许存在一个额外的非常波，表现在分裂的TM偏振光束散射在空气-超材料界面。
2011-03-20 physics.optics
Optical forces in nanorod metamaterial
用激光束对微米和纳米尺度物体进行光机械操纵在大跨度的多学科应用中得到了应用。辅助纳米结构可以通过空间定位物体和捕获所需的强度来显著改善经典光镊的性能。在这里，我们研究了一个三维纳米棒超材料平台，作为光学操作的辅助工具，能够支持和控制近场相互作用，并产生陡峭和平坦的光学势分布。结果表明，从椭圆到双曲色散制度的超材料的“拓扑过渡”，通常具有显着的影响各种光-物质相互作用过程，并没有强烈影响的超材料中的光学力的分布。这种效果是由占主导地位的近场贡献的纳米结构的光机相互作用。半解析模型，近似的有限尺寸的纳米粒子的一个点偶极子和忽略之间的相互再散射的颗粒和纳米棒阵列，被发现是在一个很好的协议与全波数值模拟。发现了作用于超材料内部或附近的粒子的面内（垂直于棒）捕获机制、鞍形平衡点和光脉冲力（沿棒指向激发光源）.辅助超材料用于光学操纵，为柔性纳米机械控制提供了额外的自由度，可以应用于各种跨学科的应用.
2015-06-05 physics.optics
Feynman's method in chiral nanorod-based metamaterial nanoplasmonics
本文提出不依赖宏观电动力学的 Feynman 式散射理论，证明并推广振荡电荷平面场公式，用以分析纳米棒及旋光超材料平板在窄激光束中的干涉效应。
2023-12-06 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
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
Tailored Optical Polarization in Nano-Structured Metamaterials
一个非常有效的方法计算纳米结构复合系统的有效光学响应，允许设计的超材料定制特定的光学偏振特性。我们使用我们的方法来设计2D周期性阵列的亚波长介电夹杂物内纳米支持的金属薄膜的行为，作为一个几乎完美的线性二向色性系统，作为一个可控源的圆偏振光，作为一个系统，具有较大的圆二向色性，或作为一个圆偏振器。所有这些系统都可以在宽的能量范围内调谐。
2016-04-03 physics.optics
Coherent control of nanoscale light localization in metamaterial: creating and positioning a sub-wavelength energy hot-spot
在纳米尺度上精确控制和操纵光场是纳米光子学中最重要和最具挑战性的问题之一。由于光波长在更大的微尺度上，因此不可能为此目的采用常规聚焦。我们表明，在超材料系统中的离散超分子之间的强光诱导相互作用和相干单色连续光束与空间定制的相位分布可以用来制备亚波长尺度的能量本地化。可以在超材料领域中任意创建和定位像$λ/10$这样小的隔离良好的能量热点，为数据存储和成像应用提供新的机会。
2010-10-12 physics.optics
Plasmonic nanoparticle monomers and dimers: From nano-antennas to chiral metamaterials
我们回顾了光与等离子体纳米粒子相互作用背后的基本物理。系统地研究了光在单金属粒子（等离子体单体）和两相互作用粒子（等离子体二聚体）上散射的理论基础。有效粒子的磁化率（极化率）的表达式推导，这些结果的应用等离子体纳米天线概述。在长波长极限下，计算了等离子体二聚体阵列的有效宏观参数。这些参数可归因于对应于纳米颗粒的稀排列的有效介质，即，其中等离子体单体或二聚体具有“元原子”功能的超材料。结果表明，由棒状粒子组成的平面二聚体一般具有椭圆二向色性，可作为平面手性超材料的原子。所提出的棒状二聚体几何结构的制造简单性可用于在光学领域中设计更具成本效益的手性超材料。
2011-04-27 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Modulating light with light via giant nano-opto-mechanical nonlinearity of plasmonic metamaterial
从1926年Vavilow和Levshin对可饱和吸收的演示开始，随着激光器的发明，强非线性材料的不可用性成为发展光学信号处理的关键障碍，特别是在透明电信网络中。今天，最先进的光子开关材料利用半导体中的增益动力学和近带和激子效应，有机介质中的非线性与弱局域电子和非线性通过与超材料杂交而增强。在这里，我们报告一种新型的人工非线性，是纳米光机械的性质。它是在由柔性纳米膜支撑的等离子体元分子的人造超材料阵列中观察到的。在这里，非线性是由光引起的结构的可逆重构所支撑的。在一个只有100纳米厚的薄膜中，我们用毫瓦功率的电信二极管激光器演示了光与光的调制。
2015-06-18 physics.optics
Plasmonic angular momentum on metal-dielectric nano-wedges in a sectorial indefinite metamaterial
本文对扇形无限异向介质芯区周期性金属-介质纳米楔结构调制的等离子体角动量进行了解析研究。采用的传输矩阵计算和保角映射技术，我们的理论是能够处理现实的配置任意扇区数和圆角楔形提示。我们证明了在深亚波长区，强电场携带高方位角变化可以存在于靠近结构中心的仅10纳米长度尺度内，并且自然地以距离中心100纳米量级的特征半径为界。这些极端的限制性能表明，在纳米级光子操纵方面，所研究的结构可能优于传统的金属-电介质波导或腔。
2013-09-18 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
Scaling of losses with size and wavelength in nanoplasmonics and metamaterials
我们表明，对于谐振金属-电介质结构，在所有三个维度上具有光的亚波长限制，除非在光谱的远IR和THz区域或以下操作，否则损耗不能显著降低到金属本身的损耗以下。这种高损耗不能通过引入由于Purcell引起的复合时间缩短而导致的增益来补偿。低损耗光学超材料的唯一设计方法是使用未知的负介电常数低损耗材料。
2011-10-04 physics.optics
Optical Control of Nanomechanical Eigenfrequencies and Brownian Motion in Metamaterials
纳米机械光子超材料通过耦合光学和机械谐振子系统提供了丰富的主动开关、非线性和增强的光-物质相互作用功能。这种超材料的纳米结构组件的热（布朗）运动导致光学性质的波动，这可能表现为噪声，但也提供了表征性能的机会，从而在单个纳米机械元件的水平上优化设计。我们发现，布朗运动在一个全电介质的超材料系综的硅-氮化硅纳米线可以控制的光在亚μW/μm2强度。纳米线温度的变化仅为几开尔文，这取决于纳米线的尺寸、材料成分和光传播的方向，在布朗运动的几MHz本征频率和皮米位移幅度中产生几个百分比的比例变化。调谐机制可以提供光子元器件中的频率响应的主动控制，并且可以用作测辐射热、质量和微/纳米结构应力感测的基础。
2022-05-24 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nano-scale tunable optical binding mediated by hyperbolic metamaterials
精心设计的纳米结构可以激发新型的光机械相互作用，并允许超越经典衍射光学元件的限制。除了强的近场定位，纳米结构的环境允许控制散射通道，并可能定制多体相互作用。在这里，我们调查的光学绑定的效果，其中几个粒子表现出集体的机械行为聚束在一起的光场。与经典的结合，其中粒子之间的分离距离是衍射限制，一个辅助双曲元表面在这里示出，通过引入几个可控的近场相互作用通道来打破这一障碍。双曲超材料的强材料色散以及其支持的光学模式的高空间限制允许实现优异的调谐能力和对纳米尺度上的结合距离的有效控制。此外，由于来自衬底的体积模式的多次反射，与自由空间场景相比，仔细选择超材料板厚度能够使光学结合距离减小几个数量级。辅助可调超材料，它允许控制集体光机械相互作用的纳米尺度上，打开了一个新的研究，包括集体纳米流体相互作用，触发生物化学反应和许多其他的场所。
2019-09-26 physics.optics
Second-harmonic generation from hyperbolic plasmonic nanorod metamaterial slab
双曲等离子体超材料为设计不寻常的线性和非线性光学特性提供了许多机会。我们发现，模式重叠的基本和二次谐波光在各向异性等离子体超材料板的辐射的二次谐波强度的宽带增强的结果由高达2个数量级的TM和TE偏振的基本光，相比TM偏振照明下的光滑的金膜。这些结果为设计可调谐倍频超材料提供了可能性，其目标是克服与厚非线性晶体中的经典相位匹配条件相关的限制。
2016-01-07 physics.optics
Metamaterial enhancement of metal-halide perovskite luminescence
金属卤化物钙钛矿作为用于发光应用的可溶液加工的光学材料迅速出现。在这里，我们采用等离子体超材料的方法来增强光致发光发射和提取的甲基碘化铅铵（MAPbI3）薄膜，基于珀塞尔效应。我们发现，杂交的活性金属卤化物膜与共振纳米级大小的狭缝雕刻成一个金膜可以产生超过一个数量级的发光强度增强，和发光寿命减少近三倍。这显示了共振纳米结构在可调光谱范围内控制金属卤化物钙钛矿发光特性的有效性，这是一种实现高效钙钛矿发光器件和单光子发射器的可行方法。
2020-05-22 physics.app-ph physics.optics
Physics-informed neural networks for inverse problems in nano-optics and metamaterials
在本文中，我们采用新兴的范例物理通知神经网络（PINNs）的解决方案的代表性逆散射问题的光子超材料和纳米光学技术。特别是，我们成功地应用无网格PINNs检索的有效介电常数参数的一些有限尺寸的散射系统，涉及许多相互作用的纳米结构以及多组分纳米粒子的艰巨任务。我们的方法是充分验证基于有限元法（FEM）的数值模拟。基于物理学的逆散射深度学习技术的发展可以设计新型功能纳米结构，并通过自然地考虑辐射和有限尺寸效应，超越传统有效介质理论的限制，显着拓宽超材料的设计空间。
2020-03-17 physics.comp-ph physics.optics
Unveiling Chirality: Exploring Nature's Blueprint for Engineering Nanostructured Materials
本文概述了手性仿生等离激元学与超材料领域，通过自组装和纳米加工技术设计手性超材料及等离激元纳米结构，实现了对光响应的显著控制与光学手性增强，为传感、催化和光电器件开辟了新前沿。
2023-06-29 physics.app-ph physics.optics
Nonlocal Optics of Plasmonic Nanowire Metamaterials
我们提出了一个分析描述的非局部光学响应的等离子体纳米线超材料，使负折射，亚波长光操纵，和发射寿命工程。我们表明，在纳米线介质中传播的光波的色散的结果从横向和纵向电磁模式的耦合支持的复合材料，并推导出这种色散的非局部有效介质近似。我们推导出的轮廓的电场的单位细胞，并使用这些表达式来解决长期存在的问题的附加边界条件的计算波的透射和反射的非局部纳米线介质。我们验证我们的分析结果与数值解麦克斯韦方程组和讨论推广的发展形式主义其他单轴超材料。
2013-10-24 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
III-V semiconductor nano-resonators-a new strategy for passive, active, and nonlinear all-dielectric metamaterials
由介质谐振器组成的超材料由于其低的本征损耗和各向同性的光学响应而引起了人们的广泛关注。特别地，由硅介电谐振器制成的超颖表面已经显示出期望的行为，诸如有效的非线性光学转换、光谱滤波和先进的波前工程。为了进一步探索电介质超材料的潜力，我们提出了由外延生长的III-V族半导体制造的全电介质超材料，其可以利用III-V族半导体的高二阶光学可折射率，以及单片集成有源/增益介质的容易性。具体而言，我们使用选择性湿氧化工艺来创建GaAs纳米谐振器，该工艺形成低折射率AlGaO（n~1.6）下层，类似于使用绝缘体上硅晶片形成的硅介电谐振器。我们进一步使用相同的制造工艺来展示多层III-V介质谐振器阵列，为我们提供了新的器件工程自由度。对于这些阵列，我们在实验上测量~100%的反射率在一个广泛的光谱范围。我们设想，全介质III-V族半导体超材料将为无源、有源和非线性全介质超材料开辟新的途径
2016-05-01 physics.optics
Interaction of electron beams with optical nanostructures and metamaterials: From coherent photon sources towards shaping the wave function
研究电子束与材料和光的相互作用已经是一个多世纪以来的研究领域。量子力学的兴起使这一领域在理论上得到了发展，电子显微镜和加速器的出现使这一领域在技术上得到了发展。如今，通过全息术、断层摄影术和最近的光子诱导近场电子显微镜等先进技术，可以从物质中的电子诱导激发中发现大量信息。问题是，是否可以以更有效的方式控制相互作用，以便通过执行具有更好的空间，时间和能量分辨率的实验来解决电子诱导极化的模式分解等重要问题。本文综述了在纳米尺度上控制电子和光相互作用的最新进展。将讨论电子与纳米结构和超材料相互作用的理论和数值方面，目的是了解电子与更复杂结构相互作用的辐射机制。
2017-06-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
The Control of the Elementary Quantum Systems Radiation Using Metamaterials and Nanometaparticles
基础和应用物理发展中最重要的方向是研究纳米级光学系统的性质，以创建光学和量子计算机、生物传感器、用于量子信息学的单光子源、用于DNA测序的设备、各种领域的传感器等。（外延或胶体）、晶体中的色心和金属中的纳米接触是至关重要的。在纳米环境中，这些基本量子系统的特性-泵浦速率，辐射和非辐射衰减速率，局部态密度，寿命，能级位移-经历可以有意用于创建具有所需特性的纳米级光源的变化。这篇综述分析了基本量子系统辐射控制领域中使用等离子体和介电纳米结构、超材料和由超材料制成的纳米颗粒的实际理论和实验工作。
2021-02-25 physics.chem-ph physics.optics quant-ph
Hyperbolic Metamaterial Nano-Resonators Make Poor Single Photon Sources
本文利用准正规模方法研究了双曲型超材料纳米谐振器耦合量子偶极子辐射源的光学性质。我们表明，耦合到超材料纳米谐振器可以导致显着的Purcell增强，这是近一个数量级大于等离子体共振器具有可比的几何形状。然而，相关联的单光子输出$β$ -因子极低（大约10 $\%$），远小于可比尺寸的金属谐振器的那些（70 $\%$）。使用准正规模式展开的光子格林函数，我们描述了如何低的$β$ -因素是由于增加欧姆淬灭所产生的红移共振，较大的品质因数，和较强的限制光内的金属。与目前的智慧相反，这些结果表明双曲超材料纳米结构对于单光子源来说是糟糕的选择。
2017-02-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Gain assisted harmonic generation in near-zero permittivity metamaterials made of plasmonic nanoshells
我们研究了由球形等离子体纳米壳层组成的增益辅助的近零介电常数超材料中的增强谐波产生过程。我们报告的存在下，窄带功能的传输，反射和吸收诱导的活性材料的存在下的核心内的纳米壳。用于实现近零有效介电常数条件的阻尼补偿机制也引起场局部化和强度的显著增加，从而增强线性吸收。当只考虑金属非线性时，通过探测在近零介电常数条件附近的结构获得的二次和三次谐波产生效率接近值高达低至的辐照度值。这些结果清楚地表明，一个相对简单的路径，现在存在的发展奇异的和极端的非线性光学现象，在千瓦/厘米2的范围
2012-10-05 physics.optics
Hyper-gratings: nanophotonics in planar anisotropic metamaterials
我们提出了一种能够在平面非共振结构中的源的远场中产生亚波长焦斑的技术。该方法结合了产生高波矢数模式的衍射光栅和传播这些波并在亚波长焦点处组合它们的均匀各向异性超材料的平板。从某种意义上说，该技术结合了菲涅耳透镜、近场波带片、超透镜和超透镜的优点，同时解决了它们的基本局限性。提出了几种实现所提出的技术为可见光，近红外和中红外频率，并从理论和数值分析了它们的性能。亚衍射片上光子学的发展方法的推广建议。
2008-09-30 physics.optics
Theory of Linear Chains of Metamaterial/Plasmonic Particles as Sub-Diffraction Optical Nanotransmission Lines
在这里，我们讨论的理论和详细分析的引导性能的线性阵列的超材料/等离子体小颗粒作为纳米尺度的光学纳米传输线，包括材料损耗的影响。在偶极近似的假设下，每个粒子，这是准确的在这里感兴趣的几何形状，我们开发封闭形式的本征模色散在这样的阵列的解析表达式。在考虑材料损耗的情况下，通过研究色散关系的性质，解析地导出了最小吸收和最大带宽的条件。数值例子与现实的材料，包括其欧姆吸收和频率色散。这里讨论的分析性质也提供了一些进一步的物理见解的机制，在这种阵列的子衍射指导和他们的基本物理限制。讨论了引导光束具有亚波长横向限制和合理的低衰减的可能性，提供了在微波、红外和光学频率下使用这种技术的可能性。本文从纳米电路概念的角度对这些结果进行了解释，并预见了可能扩展到2-D和3-D纳米传输线光学超材料。
2006-09-08 physics.optics
Metamaterial Coatings for Broadband Asymmetric Mirrors
我们报道了具有高反射不对称性的纳米复合金属-介质薄膜涂层的设计和制备。应用基本的色散工程原理来模拟宽带和大反射率的不对称性，我们得到了一个模型的超材料膜的介电函数，非常类似的无序金属介电纳米复合材料的有效介电常数。使用沉积在玻璃衬底上的无序纳米晶银膜实现的涂层证实了理论预测，表现出对称的透射率，大的反射率不对称性和独特的平坦反射率不对称性。
2007-03-10 physics.optics
Optical Nanotransmission Lines: Synthesis of Planar Left-Handed Metamaterials in the Infrared and Visible Regimes
根据我们最近的理论发展的概念，纳米电感器，纳米电容器和纳米电阻器在光频率和合成更复杂的纳米级电路的可能性，在这里，我们理论上详细研究的问题，光学纳米传输线（NTL），可以设想通过适当地连接在一起的阵列，这些基本的纳米级电路元件。我们展示了如何在这些基本电路元件紧密堆积在一起的极限中，NTL可以被视为等离子体和非等离子体平板的堆叠，其可以被设计为有效地表现出具有向前（右手）或向后（左手）操作的平面超材料的特性。通过适当的设计，负折射和左手传播被证明是可能的，在这些平面等离子体激元导波结构，提供了可能性，在平面光学亚波长聚焦和成像，并在IR和可见光频率的横向限制波导。推导了这类NTLs的有效材料参数，并探讨了这类光学NTLs与双负和双正超材料之间的联系和类比。物理的见解和理由的结果也提出。
2006-03-07 physics.optics
Optical Characterization of Epsilon-Near-Zero, Epsilon-Near-Pole and Hyperbolic Response in Nanowire Metamaterials
我们报告了在纳米多孔阳极氧化铝中电沉积直径约30 nm的金纳米线制备的金属纳米线（NW）超材料的光学和物理特性。我们观察到一个单轴各向异性介电响应的NW超材料，显示ε近零（ENZ）和ε近极（ENP）共振。我们表明，NW-超材料的行为从金属-电介质多层（ML）超材料的一个根本区别是ε-近零（ENZ）和ε-近极（ENP）介电响应相对于有效介电张量的光轴的不同方向。与多层超材料相比，纳米线超材料表现出全向ENP和角度相关ENZ。同样与ML超材料相反，NW超材料表现出高吸收性的ENP和ENZ共振，并且可以从自由空间有效地激发。当金纳米棒填充分数从26%变化到10.5%时，我们的制造允许在583 nm到805 nm的可见光和近红外光谱中的ε近零共振的大的可调谐性。我们通过严格的物理和光学表征来支持每个步骤的制造工艺流程。能量色散X射线（EDX）和X射线衍射（XRD）分析用于确定退火前后电化学沉积的Au纳米线的质量。我们的实验结果与周期性等离子体激元晶体的模拟和有效介质超材料极限的分析计算相一致。我们还通过实验表征了ENZ共振时空间色散的作用，并表明ENP共振时不会发生这种效应。这些材料在生物传感、量子光学和热器件领域的应用显示出相当大的前景。
2015-11-11 cond-mat.mtrl-sci physics.optics physics.plasm-ph
Self-assembled nanostructured metamaterials
超材料的概念出现在2000年，实现了人工结构，使非传统的电磁波的传播，如负折射的负相速度。超材料的电磁响应通常基于亚波长尺寸和良好设计的形态的光学谐振元件（或超原子）的存在，以便提供期望的电和磁光学性质。基于光刻技术的自顶向下技术已经被广泛用于制造从微波到可见光频率的各种高效电和磁谐振器。然而，在可见光中，需要大量纳米尺寸的元件，从而达到自上而下方法的技术极限。我们在这里表明，自下而上的制造路线的基础上的纳米化学和胶体物理学的自组装方法的组合提供了一个很好的替代大规模合成复杂的元原子，以及制造的二维和三维样品表现出元属性在可见光。
2019-03-21 physics.optics
Beam Collimation Using an Anisotropic Metamaterial Slab without Any Nanometer-sized Aperture
基于由复杂且高成本的制造工艺形成的众所周知的纳米级牛眼结构，等离子体束准直效应已经被深入研究。在这项工作中，我们报告了我们的努力实现光束准直使用各向异性超材料（AMM）板，由交替的金属/电介质层和集成的顶部金属光栅的堆栈。结果表明，AMM板允许创建类似于靶心结构的光束准直效果，由于其简单的结构和成本效益，这是一种用于实际应用的技术。在AMM/空气界面的表面等离子体激元的激发。采用有效介质理论和有限元法分析了AMM板的结构及其对整经性能的影响。
2015-05-13 physics.optics
Radiative Emission Enhancement Using Nano-antennas Made of Hyperbolic Metamaterial Resonators
分析了双曲型超材料谐振器作为纳米天线用于增强其附近量子发射体的辐射发射。已经表明，由于非常大的态密度，双曲超材料衬底附近的发射器的自发发射率显著增强。然而，增强耦合到自由空间，这是中央的应用，如固态照明，还没有得到显着的研究。在这里，我们用数值方法证明了在660 nm波长处的自由空间辐射发射的大约100倍的增强，通过利用圆柱形HM谐振器，其半径为54 nm，高度为80 nm，在不透明的银包覆衬底的顶部上。我们还展示了如何自由空间辐射增强因子取决于偶极子的方向和发射器附近的亚波长谐振器的位置。此外，我们还计算了亚波长间距的HM谐振器阵列可以保持单个谐振器的大部分增强效果。
2014-08-14 physics.optics
Anisotropic Metamaterial Optical Fibers
内部物理结构可以极大地改变波导的特性：光子晶体光纤能够通过周期性孔阵列的布拉格散射将光限制在中空空气芯内，而用于微波的超材料加载波导可以支持远低于截止频率的传播。组装成圆柱对称几何形状的各向异性超材料构成了支持新型奇异模式的光导结构。阳极化纳米多孔氧化铝的微管（具有从内壁向外表面径向发散的纳米孔）是这种各向异性超材料光纤的表现。当填充有等离子体金属（诸如银或金）时，纳米孔极大地增加了电磁各向异性。各向异性圆波导中的模式解可以是不常见的虚阶贝塞尔函数。
2017-01-25 physics.optics
Comparison of gold- and graphene-based resonant nano-structures for terahertz metamaterials and an ultra-thin graphene-based modulator
石墨烯表现出独特的材料特性，在电磁波技术中，它提出了将设备小型化到原子长度尺度的前景。在这里，我们研究了由石墨烯制成的开口环谐振器超材料，并将其与金基超材料进行了比较。我们发现，石墨烯的巨大的反应性响应来自其大的动力学电感允许深亚波长共振，虽然其共振强度降低，由于更高的耗散损耗阻尼和更小的偶极耦合。然而，紧密堆叠的石墨烯环可以提供负磁导率，并且石墨烯元原子的电偶极共振变得令人惊讶地强。基于这些发现，我们提出了一种太赫兹调制器的超材料的基础上，交替图案化的石墨烯片的多层堆叠的介电间隔物分开。相邻的石墨烯片彼此偏置，导致在约90%的透射水平下超过75%的调制深度。
2014-10-20 physics.optics
Nano-Focusing of Vortex Beams with Hyperbolic Metamaterials
本文利用双曲超材料中的高面内波数模式实现涡旋光束的亚衍射极限聚焦，并通过自旋-轨道相互作用形成深亚波长光学斯格明子，为纳米尺度光与物质相互作用研究开辟新途径。
2024-06-07 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
Nanoscale Metamaterial Optical Waveguides with Ultrahigh Refractive Indices
提出了一种基于金属-介质多层无限异向介质的深亚波长光波导。基于金属-介质多层结构和有效介质方法，对不同模阶的波导模式进行了系统的数值模拟。研究了不同模式阶数、自由空间波长和波导截面尺寸对波导模式折射率、传播长度和模式面积的影响。此外，波导模式也示出了在波矢空间中的等频率轮廓，以研究波导模式截止高阶模式的机制。实现了尺寸小于λ0/50、模面积为10-4 λ 0 2量级的深亚波长光波导，在通信波长处的有效折射率达62.0。这种新型的超材料光波导为增强光-物质相互作用的各种应用开辟了机会。
2012-03-18 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
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
Printable Nanoscopic Metamaterial Absorbers and Images with Diffraction-Limited Resolution
具有极端特征分辨率的功能超材料的制造找到了许多应用，例如表面/光相互作用的广泛领域。这种结构的非平面特征可以显着提高其性能和可调谐性，但其容易生成仍然是一个挑战。在这里，我们表明，精心设计的平面外纳米柱由金属-介电复合材料集成在金属-介电-纳米复合材料配置中制成，可以非常有效地吸收宽带光。我们进一步证明，电流体动力印刷在一个快速的nanodripping模式，是能够产生精确的出平面森林的这种复合纳米柱与沉积分辨率在平面和非平面基板上的衍射极限。印刷材料的纳米复合材料性质允许通过简单地调整柱高度来微调整体可见光吸收，从完全吸收到完全反射。在整个可见光谱范围内几乎完美的吸收（~95%）是通过仅覆盖6%印刷区域的纳米柱森林实现的。通过设计调整各个柱组的高度，我们展示了具有400 nm空间分辨率的显微照片的灰度级的按需控制。这些结果构成了一个重要的一步，在超高分辨率的面外纳米结构的简易制造，重要的是广泛的调色板的光设计应用。纳米结构，对广泛的光设计应用很重要。
2016-09-23 physics.optics
Three-dimensional Negative-Refractive-Index Metamaterials Based on All-Dielectric Coated Spheres
提出并理论证明了一种由全介质纳米球构成的三维光学负折射率超材料。这种超材料是由两种介电纳米球组成的同心壳层嵌入到宿主介质中。基于Mie的扩展有效理论表明，由于强Mie共振，电介质芯和电介质壳分别提供负磁导率和负介电常数。在耦合谐振频率范围内，可以实现负折射率。
2010-04-27 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
Cooperative nanoparticle self-assembly and photothermal heating in a flexible plasmonic metamaterial
我们从理论上研究了由芳纶纳米纤维和金纳米颗粒组成的柔性等离子体超材料的平衡行为和光热效应。纤维基体被认为是一个外部的领域，重新配置的纳米粒子组装。我们发现，加热过程调谐粒子-粒子和纤维-粒子的相互作用，这改变了吸附的纳米粒子在纤维表面或聚集在孔隙空间。因此，可以通过激光照射来控制纳米颗粒的自组装。金纳米颗粒强烈吸收辐射，并有效地将吸收的能量消散为热量。通过求解与有效介质近似相关联的传热方程，我们计算了空间温升。值得注意的是，我们的理论结果与先前的实验定量一致。这表明我们可以忽略粒子团簇引起的等离子体耦合效应。讨论了激光光斑大小和强度对光热加热的影响。
2020-11-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Controlling the broadband enhanced light chirality with L-shaped dielectric metamaterials
本文设计了基于倾斜纳米柱的全介电硅基L形超材料，通过掠射角沉积实现晶圆级制备，在透射模式下获得宽带增强且振幅与频率均可调控的手性光学响应。
2024-03-27 physics.optics
Experimental demonstration of superconducting critical temperature increase in electromagnetic metamaterials
最近提出的超材料方法介电响应工程可能会增加复合超导体-介电超材料的临界温度的建议已经在实验中测试了不同组成的锡和钛酸钡纳米颗粒的压缩混合物。对于体积分数为40%的钛酸钡纳米颗粒，已经观察到与体相锡相比，临界温度增加了约0.15 K。用锡和钛酸锶纳米颗粒的压缩混合物也获得了类似的结果。
2014-10-13 cond-mat.supr-con physics.optics
Metallo-dielectric core-shell nanospheres as building blocks for optical 3D isotropic negative-index metamaterials
显示出在自然存在的介质中无法获得的电磁特性的材料，即所谓的超材料，最近一直是并且仍然是光学和材料物理与工程中最活跃的领域之一。在这些性质中，最有吸引力的一个是亚衍射分辨能力预测的介质具有折射率为-1。在这里，我们提出了一个全3D，各向同性的超材料与强大的电和磁响应的光学制度的基础上，球形金属介电核壳纳米球。磁响应源于具有高折射率的电介质壳的最低磁偶极共振，并且可以被调谐以与负责电响应的金属芯的等离子体共振一致。由于响应不是源于结构之间的耦合，因此不需要施加特定的周期性布置。此外，由于组分的几何形状，超材料本质上是各向同性和偏振无关的。它可以用当前的制造技术用诸如银（芯）和硅或锗（壳）的材料来实现。对于这些特定的现实设计，超材料在1.2-1.55微米的范围内呈现负折射率。
2011-11-07 cond-mat.other physics.optics
Low-Q whispering gallery modes in anisotropic metamaterial shells
研究了各向异性和非均匀超材料壳，以利用其所有的谐振模式丰富度。这些多层结构是基于径向依赖的本构参数的圆柱形分布，包括一个内部的空隙腔。壳，腔和回音壁模式的特点，并特别注意后者。在有背景的壳体边界层处产生回音壁模态，产生具有强辐射特性的能量局域化。这些低Q共振态的频率与壳层厚度无关。然而，它们的品质因数可以通过形成壳的层的数量来控制，这允许在界面层（内部或外部）处限制电磁波，并且使它们适合于收集电磁能量。
2013-05-23 cond-mat.mes-hall 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
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
Polarizabilities and Effective Parameters for Collections of Spherical Nano-Particles Formed by Pairs of Concentric Double-Negative (DNG), Single-Negative (SNG) and/or Double-Positive (DPS) Metamaterial Layers
当通过将“互补”双负（DNG）、单负（SNG）和/或标准双正（DPS）材料配对在一起来设计同心壳时，可以获得来自微小球形颗粒的不寻常的散射效应。通过将这些高度可极化的散射体嵌入基质中，可以获得具有有趣的有效参数的体相介质。讨论了这些同心球形纳米颗粒的异常极化率和大块复合介质的有效参数的一些物理见解和理由。
2006-02-24 physics.gen-ph physics.optics
Optically dense nanowire metamaterials are transparent to polarization
University of Twente（特温特大学）；Leibniz Institute of Photonic Technology (IPHT)（莱布尼茨光子技术研究所）；Eindhoven University of Technology (TU/e)（埃因霍温理工大学）
研究光学致密各向异性纳米线超材料中的光传输，发现线性偏振在多次散射后仍保持，提出各向异性散射样品在LED和光通信中的应用。
2026-06-27 physics.optics
Applications of hyperbolic metamaterial substrates
我们回顾了双曲型超材料的性质，并表明它们是有前途的候选人作为基板的纳米成像，纳米传感，荧光工程和控制热发射。双曲超材料可以支持独特的体模、可调谐表面等离子体激元以及可用于各种应用的表面双曲态（Dyakonov等离子体激元）。我们比较了有效介质的预测与实际实现的双曲超材料，以显示其潜在的辐射衰减工程，生物成像，次表面传感，元等离子体和超普朗克热发射。
2012-11-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Phase matched backward-wave second harmonic generation in a hyperbolic carbon nanoforest
我们表明，故意设计的空间色散超材料板可以实现对向传播的普通基波和后向二次谐波电磁模式的共存和相位匹配。后向波的能流和相速度是反向的，这决定了非线性光学传输过程。频率、相速度和群速度以及由超材料支持的电磁模式所固有的波导损耗可以被定制以优化耦合波的频率和传播方向的非线性光学转换。这种可能性，这是至关重要的非线性光子学，证明了与双曲型超材料的碳纳米管站在金属表面的数值模型。研究了太赫兹和红外回波二次谐波沿反射方向传播的特殊性质，重点研究了脉冲区。
2016-02-08 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
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
