超構(gòu)表面（Metasurfaces）是操控光和增強光-物質(zhì)相互作用的成熟工具。然而，傳統(tǒng)的超構(gòu)原子（conventional meta-atoms，CMA）的損耗通常會限制超構(gòu)表面的性能潛力。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的Yisheng Gao提出了一類基于離散超構(gòu)原子（discretized meta-atoms，DMA）的超構(gòu)表面，能夠有效降低輻射和本征損耗。通過離散化超構(gòu)原子，研究人員將金屬超構(gòu)表面的損耗降低到與表面晶格共振模式下短波紅外波段的介質(zhì)超構(gòu)表面相當(dāng)?shù)乃健４送猓@項研究提出了一種耦合模型來解釋損耗降低現(xiàn)象，這與通過有限元方法（FEM）得到的結(jié)果完全一致。最后，研究人員還利用介質(zhì)超構(gòu)表面在可見光波段的電與磁共振再現(xiàn)了這一現(xiàn)象。這項研究成果以“Low-loss metasurfaces based on discretized meta-atoms”為題發(fā)表在Communications Physics期刊上。
共振超構(gòu)表面由60 nm的金（Au）方形晶格構(gòu)成。通過將超構(gòu)原子在x軸和y軸方向上分割成m塊（如圖1a，m = 3）來生成DMA，即每個DMA由m × m個亞超構(gòu)原子（sub-meta-atoms，SMA）組成。圖1b和圖1c展示了在x偏振場激發(fā)下CMA和DMA超構(gòu)表面的模擬透射光譜（黑色）和吸收光譜（紅色）。
圖1 DMA超構(gòu)表面示意圖
圖1a表明離散數(shù)m與間隙比s是DMA超構(gòu)表面的關(guān)鍵參數(shù)。圖2展示了在x偏振場激發(fā)下，不同離散數(shù)m與間隙比s的DMA超構(gòu)表面的模擬透射光譜以及共振位置的電場模式。
圖2 DMA超構(gòu)表面的表征
上述模擬結(jié)果表明，盡管超構(gòu)原子被分割成多個SMA，但它們?nèi)匀豢梢宰鳛橐粋€整體發(fā)揮功能，因為SMA之間強大的電磁場能夠有效地傳遞能量。此外，間隙中的無損材料可以進(jìn)一步降低超構(gòu)原子的損耗，而且隨著間隙的增大，這種損耗降低的效果也會更加顯著（如圖2d）。研究人員采用由兩個耦合驅(qū)動振蕩器組成的模型來闡述CMA和DMA超構(gòu)表面的工作機制。圖3a和圖3b分別展示了CMA和DMA超構(gòu)表面的示意圖（上半部分）和對應(yīng)的關(guān)系矩陣（下半部分）。圖3c和圖3d展示了DMA超構(gòu)表面中超構(gòu)單元的示意圖及其等效示意圖。為了驗證該模型，研究人員還比較了不同離散數(shù)和間隙的理論結(jié)果與模擬結(jié)果（如圖4）。
圖3 DMA超構(gòu)表面的機制
圖4 不同離散數(shù)和間隙的模擬結(jié)果與理論結(jié)果的比較
圖4表明，所提出的模型可以有效地解釋在短波紅外波段中由金屬超構(gòu)原子離散化而帶來的損耗降低現(xiàn)象。此外，由于該理論模型基于經(jīng)典共振，因此損耗降低現(xiàn)象應(yīng)主要歸因于共振現(xiàn)象，而非短波紅外波段的金屬超構(gòu)表面特性。為了進(jìn)一步驗證這一點，研究人員在可見光波段再現(xiàn)了介質(zhì)超構(gòu)表面類似的電與磁共振所帶來的損耗降低現(xiàn)象（如圖5）。
圖5 DMA超構(gòu)表面在可見光波段的電與磁共振
綜上所述，這項研究提出了一類基于DMA的超構(gòu)表面，它們具有降低輻射損耗和本征損耗的能力。這項研究有望促進(jìn)超構(gòu)表面的發(fā)展并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。此外，由于這項研究提出的模型基于經(jīng)典共振，離散化振蕩器（超構(gòu)原子）帶來的損耗降低也可以擴展到超構(gòu)表面以外的其它共振系統(tǒng)。
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https://doi.org/10.1038/s42005-024-01808-1
