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
Semiconductor nanowire metamaterial for broadband near-unity absorption
红外半导体近一吸收体的实现将为传感、健康、成像和量子信息科学中的应用提供新的能力，特别是在需要便携性的地方。通常，市售的便携式红外单光子探测器由体半导体制成，效率远低于1。在这里，我们设计了一种新型的半导体纳米线超材料，并表明，通过仔细安排InGaAs纳米线阵列，并通过控制它们的形状，我们表现出在室温下的近单位吸收效率。我们的实验表明，在前所未有的波长范围从900 nm到1500 nm的平均测量效率为93%（模拟平均效率为97%）。我们进一步表明，近单位吸收的结果从集体响应的纳米线超材料，起源于耦合到泄漏谐振波导和横模。这些耦合机制导致光从顶部直接吸收，并且当光从一个纳米线散射到相邻纳米线时间接吸收。这项工作可能导致新一代量子探测器的开发，其在红外线中具有前所未有的宽带近单位吸收，同时在室温附近工作，适用于更广泛的应用。
2022-02-28 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
Thin-Film Metamaterials called Sculptured Thin Films
形态和性能是超材料的相互关联的属性，其中雕塑薄膜（STF）是示例。STF是可以由许多不同材料制造的纳米线组件，通常通过物理气相沉积到旋转衬底上。STFs的曲线-纳米线形态由制造过程中的衬底运动决定。特别地，可以通过改变STFs的形态来定制光学性质。在许多情况下，原型装置已被制造用于各种光学、热、化学和生物应用。
2010-04-04 physics.optics
Maximizing the electromagnetic chirality of thin metallic nanowires at optical frequencies
电磁波入射到三维螺旋形金属异向介质上，在理论和实验上都表现出很大的手征效应。这里的手征描述了散射体、材料或超材料对左右圆偏振电磁波的不同响应。这些差异可以量化的电磁手性措施。在这项工作中，我们认为最优设计薄的金属自由形式的纳米线，拥有措施的电磁手征尽可能大，从根本上可能。我们专注于光学频率，并使用基于梯度的优化方案，以确定高手性薄银和金纳米线的最佳形状。我们优化的纳米线的电磁手性措施超过了传统的金属螺旋。因此，这些应该非常适合作为具有增加的手性响应的新型超材料的构建块。我们讨论了一系列的数值例子，我们评估不同的优化设计的性能。
2022-08-02 math.OC physics.optics
Nanowire waveguide made from extremely anisotropic metamaterials
本文给出了各向异性圆柱波导中所有波传播模式的精确解。导出了波导上能流的封闭表达式。对于横向介电常数为负而纵向介电常数为正的极端各向异性波导，只有横向磁（TM）和混合模式将在波导上传播。在任何给定的频率，波导支持无限数量的本征模。在TM模式中，最多只有一种模式是前向波。其余的是可以具有非常大的有效折射率的后向波。在临界半径处，波导支持具有零群速度的简并前向和后向波模式。这些波导可以用作移相器和滤波器，也可以用作光学缓冲器来减慢和捕获光。
2008-04-28 physics.class-ph physics.optics
Tungsten Nanowire Based Hyperbolic Metamaterial Emitters for Near-field Thermophotovoltaic Applications
双曲型超材料具有无限的波矢和高的光子态密度，近年来，双曲型超材料在纳米真空间隙中的近场辐射换热增强效应得到了广泛的研究.在这项工作中，我们从理论上分析了热光伏（TPV）电池的能量转换性能的In0.2Ga0.8Sb时，与HMM发射极组成的钨纳米线阵列嵌入在Al2O3主机在纳米真空间隙。采用脉动电动力学结合有效介质理论和各向异性薄膜光学计算了近场辐射换热。结果表明，在不同偏振态下，ε近零模和双曲模都能增强光谱辐射能量。其结果是，从一个半无限TPV电池的功率输出提高了1.85倍的纳米线HMM发射体与普通钨发射体在10 nm的真空间隙。此外，通过使用具有10 μ m厚度的薄TPV电池，转换效率可以从19.5%大大提高到31.5%而不影响发电，这是由于在底部电池界面处发生的全内反射最小化了子带隙光谱辐射能量。此外，还研究了有限厚度的TPV电池和纳米线发射极的影响。结果表明，当纳米线HMM发射极的厚度足够厚以达到不透明时，最佳电池厚度为3 μ m时，最大效率为32.2%。在这里获得的基本理解和见解将促进新材料的设计和应用，以提高近场TPV能量转换。
2014-10-11 cond-mat.mes-hall 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
Active metamaterials: sign of refraction index and gain-assisted dispersion management
我们推导出一种方法来定义的因果方向的波矢量的模式在光学超材料，这反过来又决定了符号的折射率和阻抗的{ \it实部和虚部的介电常数和磁导率的函数。我们使用开发的技术来证明，超材料的成分的共振响应之间的相互作用，可以用来实现有效的色散管理。最后，我们展示了宽带色散的折射率和阻抗匹配在有源陶瓷基负折射率材料。我们的工作开辟了新的实际应用负折射率复合材料的宽带透镜，成像和脉冲路由。
2007-04-27 physics.gen-ph physics.optics
Experimental Probing of Photonic Density of States in Hyperbolic Metamaterial
在具有双曲色散的超材料（氧化铝膜中的银纳米线阵列）中，我们观察到沉积在超材料表面上的染料的发射寿命减少了六倍。这是早期预测的双曲型超材料中光子态高密度的证据。
2009-12-09 physics.optics
Interplay between anisotropy and spatial dispersion in metamaterial waveguide
分析了任意单轴各向异性超材料平板的波导模谱，其介电常数张量可以用Drude近似描述。在流体动力学模型中引入了空间弥散。各向异性和空间色散都被认为是扰动。这有助于区分它们对平板光谱的影响，并详细分析等离子体频率下本征模简并度的提升。空间色散导致双曲区光态密度奇异性的破坏和各向异性引起的负色散的抑制。空间色散和各向异性的相互作用可以使光在某些频率下完全停止。
2016-04-23 physics.optics
Achieving Anisotropy in Metamaterials made of Dielectric Cylindrical Rods
我们证明了在纯介质棒型超材料中，通过将正方形晶格的对称性转变为矩形晶格的对称性，即通过破坏有效均匀介质的旋转对称性，可以获得各向异性的负有效色散关系。理论预测和结论得到了数值计算和计算机模拟的验证。提出的各向异性超材料，用于构建一个重聚焦平板透镜和亚衍射超透镜。全电介质的起源使得解决损耗和缩放这两个金属结构的主要问题变得更加简单，从而促进了太赫兹和光学范围内的未来应用。
2010-06-03 physics.optics
Topological transition in a nanowire medium and its radiative implication
我们揭示和研究了由平行极化激元材料纳米线构成的超材料中的拓扑转变。当色散从椭圆（ε-正）过渡到双曲线（ε-不定）状态时，出现了一个非常特定的等离子体表面，这意味着尽管有明显的光学损耗，但仍有非凡的Purcell因子。
2015-03-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Reconfigurable anisotropy and functional transformations with VO$_{2}$-based metamaterial electric circuits
我们展示了一种创新的多功能人造材料，它结合了奇异的超材料特性和相变介质的环境响应特性。可调谐超材料的设计与援助的两个交织的坐标变换方程和实现的薄膜电阻器和二氧化钒（$VO_{2}$）的网络。$VO_{2}$电导率的强温度依赖性导致电阻器网络行为的相关修改，并且我们为可重构超材料电路（MMEC）提供了实验证据，该电路不仅模仿连续介质，而且还能够通过其空间各向异性的动态变化来响应热刺激。在外部温度变化时，材料的整体有效功能在“截断斗篷”和“集中器”之间切换，用于电流。可能的应用包括自适应匹配电阻网络、多功能电子器件和磁畴中的等效人工材料。此外，所提出的技术还可以与集成电路的热管理相关
2014-05-29 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Superscattering pattern shaping for radially anisotropic nanowires
我们实现了高效的成形的超散射的径向各向异性纳米线依赖于共振多极干涉。研究表明，可以利用折射率的径向各向异性来共振叠加各种阶次的电多极和磁多极，从而获得具有不同工程角度图案的有效超散射。我们进一步证明，这种超散射成形依赖于不寻常的径向各向异性参数可以直接实现与各向同性的多层纳米线，这可能会带来新的光散射粒子相关的许多基础研究和各种应用。
2017-08-14 physics.optics
Dispersion Characteristics of a Glide-Symmetric Square Patch Metamaterial with Giant Anisotropy
本文研究滑移对称方形贴片超材料的色散特性，提出单轴有效介质电磁张量理论公式，并通过理论分析与数值模拟验证，在低频及特定高频方向吻合良好，便于基于几何参数预测电磁响应。
2025-08-08 physics.class-ph physics.comp-ph physics.optics
Effective chiral response of anisotropic multilayered metamaterials
本文研究了各向异性多层超材料因反演对称性破缺产生的有效手性响应，推导了正入射和斜入射下的有效手性张量，并确定了使手性响应最大化的层排列方式。
2024-09-27 cond-mat.mes-hall physics.optics
Coherent control of optical activity and optical anisotropy of thin metamaterials
未来的光纤通信网络将依赖于光子作为信息的载体，这些信息可以以光的强度、偏振或相位来存储。然而，这种光学信息的处理通常依赖于电子学。为了避免光信号和电信号之间的转换，基于光学非线性的光与光的调制已经成为一个主要的研究领域，但真正的集成全光系统面临着热管理和能量挑战。另一方面，最近已经证明，两个相干光束在薄的、有损耗的线性材料上的相互作用可以导致由相干吸收引起的任意低功率下的大的和超快的强度调制。在这里，我们证明，双折射和光学活性（线性和圆双折射和二向色性）的功能材料可以相干控制通过放置一个薄的材料板到由信号和控制波形成的驻波。在不同的手性和各向异性微波超材料中的原理验证实验中，已经证明了利用相干控制波对信号波的偏振方位角和椭圆率的有效控制。
2013-12-02 physics.optics
Optical anisotropic metamaterials: Negative refraction and focusing
我们设计了具有不同结构的三维金属纳米线介质，并通过数值计算证明了它们的色散关系是双曲线的，从而证明了它们可以是均匀有效的不确定各向异性介质。对于有限平板，利用一个很好的拟合过程，以获得色散关系，我们检索的有效折射率。真实3D线介质的伪聚焦与具有线介质的有效介电常数张量的均匀介质非常一致。研究还表明，在长波长极限下，三维线介质的双曲色散关系即使对于倏逝模也是有效的。
2009-07-06 physics.optics
Photonic band structure and effective medium properties of doubly-resonant core-shell metallo-dielectric nanowire arrays: low-loss, isotropic optical negative-index behavior
我们从理论和数值上研究了核壳结构金属半导体纳米线阵列的光域光子能带结构。计算了相应的负折射率光子带，得到了各向同性的等效面。的有效（负）的介电常数和磁导率，检索从S参数，是用来比较这样的纳米线阵列的性能与均匀介质中的典型的例子，如折射通过棱镜和平面透镜聚焦。发现非常好的一致性，确实确认了纳米线阵列作为低损耗、各向同性（2D）和体光学负折射率超材料的有效介质行为。事实上，引入无序是为了进一步强调其鲁棒性
2015-06-12 cond-mat.mes-hall physics.optics
Cut-wire pairs and plate pairs as magnetic atoms for optical metamaterials
我们研究了由切割线对或平板对制成的超材料的光学性质。我们获得了一个更明显的光学响应板对阵列的几何形状，也消除了不希望的偏振各向异性的切割线对。测得的光谱与模拟一致，揭示了负磁导率的电信波长范围内。因此，纳米级板对可以作为已建立的开口环谐振器设计的替代方案。
2005-07-06 physics.optics
Electro-optic modulator based on Vanadium dioxide epsilon-near-zero vertical nanowire triple-cavity in Silicon Waveguide
我们提出了一种电光调制器，利用一个阵列的二氧化钒纳米棒工作在近场制度作为有源开关材料集成在硅波导。该调制器利用二氧化钒的绝缘体到金属的转变，以实现19.7 dB/微米的稳健调制深度，具有宽工作波长。使用模拟，我们演示了如何有效的超材料的介电常数可以通过改变纳米棒的几何形状调整到一个接近零的值。本文还提出了一种新颖的六边形阵列设计，实现了低插入损耗，同时保持了较强的调制深度。研究结果为设计具有高工作频率和低插入损耗的超紧凑型调制器提供了参考。
2022-03-02 physics.app-ph physics.optics
Spin-controlled photonics via temporal anisotropy
基于时变本构特性的时间超材料为先进的场操纵提供了新的可能性。在这项研究中，我们探索的能力，各向异性的时间板，它依赖于突然变化的时间从各向同性到各向异性的响应（反之亦然）。我们的研究结果表明，这些平台可以有效地操纵波自旋维度，允许一系列有趣的自旋控制光子操作。我们证明了这些能力，通过自旋相关的模拟计算和自旋轨道相互作用的影响，涡流的产生的例子。这些结果为时间超材料领域提供了新的见解，并在通信，光学处理和量子技术中提出了潜在的应用。
2023-02-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Longitudinal field controls vector vortex beams in anisotropic epsilon-near-zero metamaterials
本研究提出利用极端各向异性epsilon-near-zero超材料操控带纵向场的矢量涡旋光束的方法，可调控模式、滤除衍射并定制偏振分布，为多领域光学应用开辟新方向。
2024-10-30 cond-mat.mes-hall 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
Enhancing the Directional Violation of Kirchhoff's Law of Thermal Radiation with a Nonreciprocal Wire Medium
本研究建立均匀化模型分析嵌入电旋性材料的金属纳米线阵列超材料，发现其可增强旋性基底非互易响应，在宽频段和入射角范围内拉大发射率与吸收率差值，实现热辐射基尔霍夫定律的定向违背，可应用于热管理等领域。
2023-10-07 physics.app-ph physics.optics
Magnetic levitation of metamaterial bodies enhanced with magnetostatic surface resonances
我们提出，由负磁导率超材料构建的宏观物体可能会在低频磁场中经历共振增强的磁力。时间平均力的共振增强源自静磁表面共振（MSR），其类似于负介电常数粒子的静电共振，在光学中众所周知为表面等离子体共振。我们推广的经典问题的MSR的均匀对象，包括各向异性的超材料，并考虑最极端的情况下，各向异性的磁导率是负的，但在其他方向上的积极。它示出，深亚波长的对象，这种不确定的（双曲线）介质表现出明显的磁偶极共振，强烈耦合到均匀或弱不均匀的磁场，并提供强大的增强的磁力，使应用程序，如增强磁悬浮。
2012-03-26 physics.optics
Photonic Metamaterial Analogue of a Continuous Time Crystal
研究提出由柔性纳米线支撑的等离激元超分子二维阵列构成的经典超材料纳米结构，在连续相干光照明下可触发自发相变进入透射率振荡的超辐射态，展现出连续时间晶体的关键特征，对强关联多体态研究及全光调制等应用具有重要意义。
2023-01-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Efficient integrated graphene photonics in the visible and near-IR
石墨烯光子学已经成为提供期望的光学功能的有前途的平台。然而，石墨烯的单层尺度厚度从根本上限制了可用的光物质相互作用，这对集成器件构成了关键的设计挑战，特别是在石墨烯等离子体激元不成立的波长范围内。虽然已经提出了几种等离子体设计来增强这些机制中的石墨烯光相互作用，但它们由于金属吸收而遭受大量的插入损耗。在这里，我们报告了一个非谐振超材料为基础的波导平台，以克服与石墨烯器件相关的设计瓶颈。这种超材料结构即使使用金属也能够实现低插入损耗。通过研究波导色散特性，通过封闭形式的分析，它表明，超材料的方法可以提供优化的光场与石墨烯单层重叠。这使得基于石墨烯的集成组件具有优异的光学性能。具体地，超材料辅助的石墨烯调制器与Si纳米线相比可以提供消光比的5倍改善，同时与等离子体结构相比将插入损耗降低一个数量级。因此，这种波导配置允许人们最大化石墨烯在电信和可见光区域中保持的光学势。
2017-05-10 physics.optics
Polarisation conversion and optical meron topologies in anisotropic epsilon-near-zero metamaterials
利用等离激元纳米棒超材料的强各向异性诱导的自旋-轨道耦合，控制矢量涡旋光束偏振并生成 meron 拓扑结构，通过改变输入偏振椭圆度实现额外操控，对光学等多领域应用具有重要意义。
2025-01-29 physics.app-ph physics.optics
Broadband Circular Polarizers Constructed by Helix-like Chiral Metamaterials
本文提出了一种可以通过多种传统光刻或电子束光刻技术实现的类螺旋手征超材料，以实现类似于螺旋超材料的宽带双各向异性光学响应。在扭曲超材料的基础上，通过调整晶格内的相对取向，将弧的各向异性转化为紧密排列的弧对之间的磁电耦合，从而获得宽范围的双各向异性光学响应。通过连接相邻的上弧和下弧，将超颖表面对的耦合转换为三维夹杂物的耦合，并提供更宽和更高的双各向异性光学响应。仅对于四层螺旋状超材料，最大消光比可以达到19.7。工作波段为4.69 ~ 8.98 μm，平均消光比为6.9。在整个工作波段内，选择性偏振透过率均在0.8以上。这种结构是有希望的集成和可扩展的宽带圆偏振器，特别是有很大的潜力，作为宽带圆微偏振器在全斯托克斯细分焦平面偏振计领域。
2016-06-17 physics.optics
Temperature-resilient anapole modes associated with TE polarization in semiconductor nanowire
圆柱形纳米线的偏振相关散射各向异性在例如纳米天线、光热治疗、热光致发光、催化、传感、光学滤波器和开关中具有许多潜在的应用。在所有这些应用中，依赖于温度的材料特性起着重要的作用，并且通常会对性能产生不利影响，这取决于辐射阻尼或耗散阻尼的主导地位。在这里，我们采用基于Mie散射理论的数值模拟，研究和比较金属（金，Au）纳米线与间接（硅，Si）和直接（砷化镓，GaAs）带隙半导体纳米线的温度和偏振相关的光学各向异性。结果表明，等离子体散射共振在半导体中，在吸收带内，随着温度的增加而恶化，而那些发生远离吸收带加强作为结果的声子贡献的增加。间接带隙薄（$20 \,\mathrm{nm}$）Si纳米线对于横向电（TE，$E_{\perp}$）和磁（TM，$E_{\parallel}$）模式都呈现低吸收效率，并且对于较短波长处的TM模式呈现高散射效率，使得它们适合作为高效散射体。在TE偏振的半导体纳米线（$r \! = \! 125 \! - \! 130$ nm）中也观察到具有温度弹性的高阶阿那普尔模式，其特征在于高吸收和低散射效率。在此，GaAs纳米线呈现出比Si纳米线大$3 \! - \! 7$倍的吸收效率，使得它们特别适合于温度弹性应用，例如扫描近场光学显微镜（SNOM）、局部加热、非侵入式感测或检测，其需要近场中的能量的强局部化。
2022-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Optically Active and Nonlinear Chiral Metamaterials
先进的光子纳米结构使合成手性活性最大化。这些构建块的独特结构使得能够在等离子体结构和介电介质中与电磁波进行手性选择性相互作用。考虑到文献中优化的手性表面的全部内容和有机领域中手性的普遍存在，自然要考虑的方向是这些设备在更大的光学系统中的操作，就像它们的手性有机对应物一样。在这篇综述中，我们概括了主动和非线性手征超材料的进展。许多结果，如磁手征各向异性和第三谐波瑞利散射光学活性，是比较传统的家庭的调谐方法和非线性过程的相对未知的成员。我们相信，他们准备在设计先进的手性系统在生物化学，valleytronics，自旋电子学和手性量子光学的应用中发挥重要作用。
2022-01-24 physics.app-ph physics.optics
Strain-Driven Thermal and Optical Instability in Silver/Amorphous-Silicon Hyperbolic Metamaterials
双曲超材料由于其几何设计的光学各向异性而显示出特殊的光学特性，例如近乎完美的宽带吸收。它们提出的许多应用，如热光致发光或辐射冷却，都需要高温稳定性。在这项工作中，我们研究Ag/a-Si多层膜作为双曲型超材料的热稳定性的模型系统。使用纳米层析成像，有限元模拟和光谱学的组合，我们映射的超材料的热和光学不稳定性。虽然热不稳定性在300 ℃开始，但双曲线色散持续到500 ℃。断层扫描数据的直接有限元模拟提供了一条路线，解耦和评估界面和弹性应变能的不稳定性的贡献。取决于堆叠顺序的不稳定性的驱动力是由各向异性的弹性应变能的变化，由于热膨胀失配或最小化的界面能占主导地位。我们的发现为理解多层不稳定性开辟了新的途径，并为设计能够承受高温的双曲超材料铺平了道路。
2022-07-19 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
