科学家研究出一种新型光电复合材料

研究人员新开发了一种弹道光学材料，由两种透明材料复合而成，形成等离子体材料。如今，电子设备正越来越多地与光学系统配对，比如通过光缆在电子计算机上访问互联网。

但是，基于光子的光粒子和电子依赖于电子的光学系统由于尺度不同而具有挑战性。电子的工作范围比光小得多。电子系统和光学系统之间的不匹配意味着每次信号从一个系统转换到另一个系统时，低效率就悄悄地进入系统。

现在，一个由普渡大学的科学家领导的研究小组发现了一种方法，可以利用半导体和一种新的物理方法来制造更有效的超材料，这种材料可以增强电子的活性。这项研究发表在Optica杂志上。

这类新材料有可能显著提高医学扫描和科学成像的分辨率，并大幅度缩小超级计算机的体积，创造出一个科学家可以更详细地看到微小事物的未来，而且设备则更小、更强大。

几十年来，科学家们一直致力于将光子缩小到纳米级，以使其与电子更加兼容，这一领域被称为纳米声子学。这可以通过使用稀薄的材料和昂贵的生产技术来制造所谓的双曲型材料来实现。使用双曲线材料，科学家可以通过压缩光来缩小光子，使之更容易与电气系统连接。

理论物理学家、普渡大学电学和计算机工程教授Evgenii Narimanov解释说：“双曲型材料最重要的是它们可以将光压缩到几乎任何尺度。当你能使光变小，你就解决了光学和电子之间的脱节问题。那么你就可以制造出非常高效的光电器件。”

问题在于创建这些双曲型材料。它们通常由金属和电介质交织而成，每个表面都必须在原子水平上尽可能光滑和无缺陷，这是困难、耗时和昂贵的。

Narimanov认为，解决方案包括半导体。他强调说，不是因为半导体本身有任何特殊之处。但因为科学家和研究人员在过去的70多年里一直致力于高效地生产高质量半导体。Narimanov想知道他能否利用这种熟练程度，并将其应用于生产新的和改进的超材料。

不幸的是，半导体本身并不能制造出好的光学超材料；它们没有足够的电子。它们可以在相对较低的频率下工作，在中到远红外范围内。但是为了改进成像和传感技术，科学家需要在可见光的近红外光谱中工作的超材料，其波长比中、远红外要短得多。

Narimanov和他的合作者发现并测试了一种称为“弹道共振”的光学现象。在这些新的光学材料中，将超材料的概念与单晶半导体的原子精度相结合，自由（弹道）电子与振荡光场相互作用。

当自由电子在薄导电层内反弹时，使光场与自由电子的运动频率同步，形成复合材料，使电子共振，增强每个电子的反应，并创造出一种在更高频率下工作的超材料。虽然研究人员还不能达到可见光谱的波长，但他们确实获得了60%的波长。

Narimanov说：“我们证明了有一种物理机制使这成为可能。以前，人们没有意识到这是可以做到的。我们已经开辟了道路。我们证明了这在理论上是可行的，然后我们通过实验证明，与现有材料相比，工作频率提高了60%。”

Narimanov提出了这个想法，然后与德克萨斯大学的Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank和 Daniel Wasserman以及马萨诸塞大学洛厄尔分校的Evan Simmons 和 Viktor Podolskiy合作。德克萨斯大学的研究人员开发了这种制造技术，而马萨诸塞州洛厄尔大学的科学家则为完整的量子理论做出了贡献，并进行了数值模拟，以确保一切都按计划运行。

Narimanov说：“我们将继续推进这一前沿科技。即使我们取得了极大的成功，也没有人能在一两年内将半导体超材料应用到可见光和近红外光谱中。可能需要五年左右。但我们所做的是提供物质平台。光子学的瓶颈在于电子和光子可以在相同尺度上相遇的材料，我们已经解决了这个问题。”

来源：https://phys.org/news/2020-12-physics-discovery-ballistic-optical-materials.html