新型超材料給可見光一條「單行道」

2020-11-24 中國科學院

　　超材料是一種能讓光線改變方向的材料，大大提高了人們控制光線的能力。最近，美國國家標準技術研究所（NIST）科學家用銀、玻璃和鉻造出一種納米結構的新型超材料。作為一種可見光的「單行道」，它能在一個方向幾乎完全遏制光線傳播，而另一個方向使光線暢通無阻。研究人員認為，這種「單向光路」將來有望在光學信息處理、新型生物傳感設備中大顯身手。

　　目前許多納米結構的超材料也能讓微波或紅外光在介質中單向傳播，但迄今還未能實現可見光的單向傳播，因為現有設備相對於可見光來說太大了，無法控制可見光波長。現在所謂的「單向鏡」並不能使光單向傳播，而是一種半透半反鏡，通過兩邊透射和反射的光強差異造成一種視覺上的差異。

　　NIST研究員徐亭（音譯）和漢瑞·利澤克將兩種光控納米結構結合在一起：一層玻璃一層銀堆疊成的「千層糕」和鉻金屬製作的「柵欄」。據物理學家組織網7月2日（北京時間）報導，銀—玻璃結構是一種典型的「雙曲面」介質材料，能按光的方向以不同方式處理光。由於材料層極薄，僅幾十納米，而可見光波長在400納米到700納米，因此對外部射進來的可見光來說，材料是不透明的，在材料內部，光線能以一個狹小的角度範圍傳播。

　　他們用薄膜沉澱技術造出了一塊由20層極薄二氧化矽玻璃和銀交替組成的超材料，然後在材料兩面各加了一組「鉻柵」，一邊鉻柵的間隙小於入射光波長，能使入射光改變方向只能在材料內部傳播；另一邊「鉻柵」能把要射出的光反射回材料內。雖然第二組「鉻柵」未能完全防止光線「逃出」，但經檢測，正向傳播的光比逆向返回的光要多30倍左右，超過現有的任何其他同類材料。

　　用現有方法來製造這種結合材料，是實現可見光單向傳播的關鍵。利澤克說，如果沒有銀—玻璃塊，就要把「鉻柵」排列得更精細，超過現有技術能達到的水平。

　　這些材料在光通訊領域中很有前景，比如將其整合到光子晶片上，分離或合併光波攜帶的信號。此外，還能用在生物傳感領域，探測微小粒子。納米粒子就像「鉻柵」，也能使光線轉向通過材料並從另一端出來，由此可以作為一種探測器。利澤克說：「這是一種很酷的設備，即使它表面有極小粒子，光線傳播也會有極大變化。」

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