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可编程表面等离激元超材料及其对表面等离激元波的实时调控

在光波段,表面等离激元是一种由于光子与金属中的电子相互作用而产生的束缚于金属与介质分界面的表面电磁波。由于其独特的场增强与场束缚特性,使得其在数据存储、超分辨成像、光准直、生物传感器等方面具有重要的应用前景。同时,这种传播行为仅沿着分界面进行,使得在微纳尺度上对光子进行操控成为可能,因此是实现全光集成、实现下一代更小、更快、更高效光子电路的重要希望。但是,光波段金属的高损耗是实现其应用的瓶颈,而这种依赖于正负介电常数表面的电磁模式并不存在于较低频段(远红外、太赫兹和微波)。为了在微波段有效利用这种表面波模式的特殊性质,研究者们提出通过人工结构的谐振来模拟电子与光子的谐振,从而模拟出具有类似性质的人工表面等离激元。这种电磁模式不仅继承了表面等离激元的特殊性质,更重要的是其光学性质可由几何参数来任意调节。然而,不论是光波段还是微波段,实时地动态调控表面等离激元波是一个难题。

可编程表面等离激元超材料及其对表面等离激元波的实时调控

为解决这一问题,中国东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授及课题组成员(第一作者为博士生张浩驰)提出了编码人工表面等离激元的概念,将具有不同色散特性的单元以数字编码的方式来表征,并进一步通过在结构单元中引入变容二极管,从而构建出现场可编程的人工表面等离激元系统。通过与数字电子控制模块的简单结合,使得所设计的人工表面等离激元传输线的状态可被数字信号序列所控制。所研制的可编程人工表面等离激元系统可实时切换三种完全不同功能:1) 表面等离激元逻辑门; 2) 数字化移相器;3)对慢波的动态调控。

该研究所提出的表面等离激元与数字信号相结合的方案展现出数字序列调控的巨大灵活性,相关概念与方法有助于构建未来智能化的人工表面等离激元系统。相关成果发表于Advanced Materials TechnologiesDOI: 10.1002/admt.201600202)。

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