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研究人员开发了超表面来操纵红外光

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从点源向外传播的光波通常呈现圆(凸)波前。就像落石时水面上的波浪,nanoGUNE的EU Marie sklodowska -居里研究员、该论文的第一作者李培宁解释道。这种环形传播的原因是光传播所经过的介质是均匀的、各向同性的,即在所有方向上都是均匀的。

科学家们已经从理论上预测,当光沿着特定结构的表面传播时,它们会使光的波前倒过来。在这种被称为低波曲超表面的表面上,从点源发出的波只向一定的方向传播,波前是开放的(凹的)。nanoGUNE的博士生、该论文的合著者Javier Alfaro解释说。这些不寻常的波被称为双曲表面极化子。由于它们只在特定方向传播,而且波长比自由空间中的光或标准波导要小得多,因此它们可以帮助缩小用于传感和信号处理的光学设备。

现在,研究人员开发了这种红外线超表面。它以氮化硼(一种类似石墨烯的2D材料)为基础,之所以被选中,是因为它能够在极小的长度尺度上操纵红外光,这可以用于小型化化学传感器的开发或用于纳米级光电器件的热管理。另一方面,研究人员成功地用一种特殊的光学显微镜直接观察到凹面波前,这是迄今为止难以捉摸的。

双曲超表面的制作具有挑战性,因为在纳米尺度上需要极其精确的结构。nanoGUNE的博士生Irene Dolado和sa&l v&lez, nanoGUNE的前博士后研究员(现就职于ETH Zü rich)通过电子束光刻技术和对堪萨斯州立大学提供的高质量氮化硼薄片的蚀刻技术,掌握了这项挑战。经过几个优化步骤,达到了要求的精度,得到了尺寸小于25nm的光栅结构。Dolado说。该方法也可应用于其他材料,为实现具有定制光学性能的人工超表面结构铺平了道路。添加Saü l Vé lez。

为了了解波是如何沿着超表面传播的,研究人员使用了由nanoGUNE的纳米光学小组率先开发的最新红外纳米成像技术。他们首先在超表面上放置了一个红外金纳米管。它起着石头掉进水里的作用。‘李说。纳米管将入射的红外光集中到一个小点上,然后发射波沿超表面传播。在所谓的散射型近场扫描显微镜(s-SNOM)的帮助下,研究人员成像的波。看到这些照片真是太棒了。它们确实显示出了从金纳米管向外传播的波前的凹面曲率,与理论预测的完全一致。nanoGUNE的Ikerbasque教授Rainer Hillenbrand说,他领导了这项工作。

这些结果有望使纳米结构二维材料成为低弯曲超表面器件和电路的新平台,并进一步证明了近场显微镜如何应用于揭示各向异性材料中的奇异光学现象和验证新的超表面设计原则。

发表:李培宁,等,基于纳米范德华材料的红外双曲超表面《科学》,2018年2月23日:第359卷第6378期第892-896页;