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你见过透明的金属吗?极其透明的金属超材料!
  发表于 2019-05-23 14:09

 

在材料科学中,消色差光学元件具有高透明性和低色散性。材料科学家们已经证明,尽管金属是高度不透明,但密集排列的金属纳米颗粒阵列(按体积计金属含量超过75%)在红外辐射下比锗等介质更透明。这种阵列可以形成有效的介质,在超宽带波长范围内几乎没有色散,从而设计出各种下一代基于超材料的光学设备。科学家可以通过改变纳米颗粒的大小、形状和间距来调整这些材料的局部折射率,从而设计出梯度折射率透镜,引导和聚焦微观尺度上的光。

电场可以强烈地集中在金属纳米粒子之间的间隙中,以便同时聚焦和“挤压”介质场,从而产生强大、双重增强的热点。科学家们可以利用这些热点来推动红外光谱和其他非线性过程在宽频率范围内的测量。在发表在《自然通讯》(Nature Communications)期刊上的研究中,塞缪尔·j·帕尔默(Samuel J. Palmer)和英国物理、数学和纳米技术系一个跨学科研究团队美国、西班牙和德国的研究表明,人工介质对红外辐射可以保持高度透明,即使粒子是纳米级,也能观察到这一结果。

图示说明金属、介质和有效介质如何响应缓慢变化的电场,在每个系统中,外加电场与表面电荷积聚产生的感应电场相对。图片:Nature Communications研究证明了电场穿透粒子(使它们在传导上不完美),使它们在紧密排列中发生强烈的相互作用。研究结果将使材料科学家能够设计出用于中红外波长区域的非彩色光学元件。能够通过改变纳米颗粒的大小、形状和间距来调整这些成分的局部折射率,同时对周围环境的局部折射率具有敏感性。科学家们增强了阵列中金属纳米颗粒间隙中的电场,同时利用其透明性、可调谐性和高金属填充率设计了梯度折射率透镜。该研究将光聚焦在微尺度上,压缩纳米尺度上的电场,从而在整个红外(IR)区域产生双增强电场热点。

科学家们设想,这项新研究将促进利用红外光谱和其他非线性过程在广泛的频率范围内进行测量。材料科学家目前能够开发新的和先进材料;然而没有任何一种新材料的结构完全相同。大多数材料都可以用均匀的微观特性来表征,例如折射率,其中原子的不均匀性小于入射到材料上的平均波长。当材料含有足够的亚波长结构时,被称为超材料的人工构建材料用有效指数来描述。早期的超材料包括由几厘米尺度的金属粒子阵列组成的人工介质,这些金属粒子阵列能够像介质一样引导和聚焦无线电波。

金属纳米粒子阵列的有效介电常数早期人工介电材料中的金属粒子非常大,它们对无线电波具有很高的透明度,表现出完美的导体特性。材料科学的新研究目标是利用纳米金属颗粒阵列建立有效的可见光和红外光谱介质。随后,金属纳米粒子组装技术的进步,可以在光学领域实现前所未有的光与物质相互作用的复杂工程。在目前的研究中,对比了纳米环阵列和纳米球(虽然纳米颗粒可以有其他形状)与锗的透明度,以证明该阵列可以引导和聚焦光。纳米线阵列在横向偏振光作用下表现为有效的介质;电子上的横向力导致表面电荷振荡,模拟了真实介质中原子的振荡偶极子。

而圆柱体对横向磁偏振光的响应与体金属相似,电子在纵向电场作用下自由运动而不与圆柱体表面接触。在这项研究中,无论入射偏振是什么,纳米球阵列都表现得像有效的介质——将电子聚焦于任何方向,从而产生模拟介质振荡偶极子的表面电荷。与锗等真实介质相比,这种阵列显示出很高的透明度——即使该系统的金属含量高于75%。为了验证该理论的准确性,研究人员使用直径为60纳米的金纳米颗粒制作了一个高度有序的胶体超晶体。在锗衬底上沉积了超晶体,并用紫外-可见-近红外分光光度计对材料进行了表征(测试了物理性能)。

透明金属阵列的实验与数值模拟科学家们观察到这种材料具有很高的透明度,证明了实验制作超材料的可行性。利用近场磁场,发现有效介质是透明的,足以作为微米级的透镜对红外辐射。尽管在体积上含有82%的金属,科学家们观察到,将纯金分解成一系列的金纳米囊,可以产生一种能够聚焦光线的透明透镜,这与均匀介质透镜的行为非常相似。然后,科学家们对不同类型的金属(铝、银、金和钛)进行了比较,结果表明,表皮深度较长材料产生的纳米颗粒阵列最透明,分散性最小。研究表明,在固定的波长下,粒子直径与金属表面深度的比值决定了该粒子是表现为准粒子偶极子,还是表现为完美导体。除了高透明度,科学家还可以通过控制粒子的大小、形状和空间来调整系统。

透明度是材料表皮深度的函数例如通过控制椭圆柱面阵列的展弦比来表明材料各向异性响应是可以调谐的。数值计算结果表明,当系统旋转时,有效指数的变化幅度可达50%以上。因此,科学家们能够通过固定粒子位置和调整它们的大小来调整有效指数。为了突出这种调整局部有效指数的潜力,使用金色圆柱体的三角形网格构建了梯度指数(GRIN)透镜,并随着位置改变圆柱体的直径。利用GRIN透镜,科学家们能够同时将光聚焦在微尺度上,然后在纳米尺度上“挤压”光,从而产生强烈的“双重增强”电场热点。与等离子体增强不同,这种效应并不依赖于损耗共振,显示出宽带和低损耗特性。GRIN透镜的焦点必须与最近堆积区域重合,以最大限度地压缩电场。

(图示)左:金纳米线的有效指数,作为长宽比和粒度的函数。数字(实线)和麦克斯韦·加内特混合公式(破折号)与研究中空气-金属界面上连续存在的磁场不同,电场强烈地定位在缝隙中。结果,将2μm波长压缩到2nm间隙产生了研究中强烈的高强度热点。通过这种方法,利用金属纳米颗粒阵列构建了低损耗、有效的介质。科学家们获得了高度透明的阵列,其透明度超过了锗等真实介质的透明度;因其对低能量辐射的透明性而闻名。还能够局部调整和控制形成新超材料粒子的大小、形状和空间。科学家们展示了有效折射率是基本上对所有波长大于2m常数。这项研究将使材料科学家能够设计和设计具有超材料的精密光学设备,这种超材料可以引导或增强光在广泛的频率范围内,基本上没有波长的上限。

参考期刊《科学》《Nature Communications》《物理评论快报》《Optics Express》DOI: 10.1038/s41467-019-09939-8DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.4773DOI: 10.1126/science.1096796DOI: 10.1364/OE.23.028170博科园|科学、科技、科研、科普

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