Only Perception: 超材料光學的突破 -- 解決吸收損失

2008-12-08

超材料光學的突破 -- 解決吸收損失

Breakthrough Made in Metamaterial Optics
http://www.physorg.com/news147542890.html

December 03, 2008

研究者已解決光子「超材料（metamaterials）」中剩餘挑戰的其中之一，發現一種方法避免光線在通過這些材料時的損失，並為許多重要的新光學、電子學與通訊技術開啟了大門。

這項研究進展，由 Oregon 州立大學與 Norfolk 州立大學的科學家所辦到，剛發表在 Physical Review Letters 上。

"能補償光學損失（optical loss）的能力，對於整個電漿子學（plasmonics）領域而言是往前跨出了很大的一步，" Viktor Podolskiy 說，OSU 物理學助教授。"這個領域中某些最重要的潛在應用都因此問題而受阻。"

這些「超材料」，它們從其結構而非直接從其成份獲得它們的特性，已被視為「超級透鏡（super lens）」的一種關鍵。這種可能的超級透鏡具有異常程度的解析力，能夠「看見」奈米大小的事物 -- 人類的頭髮約 10 萬奈米寬。

在機器視覺系統、電子產品製造、僅受限於光速的電腦還有一系列新通訊概念中，它們也許很重要。儘管與著名的 Star Trek 當中的類型不全然相同，能夠隱藏物體的「隱形裝置（cloaking device）」，也是一種可能性。

"這是一項重要的突破，" Mikhail Noginov，Norfolk 州立大學物理學系以及材料研究中心的教授。"這些材料許多稀奇古怪的可能應用，大部分都因吸收損失（absorption loss）而受阻。這是一個我們現在應該能夠解決的大問題了。"

光子超材料是由複合材料所構成，具有獨特的電磁特性，而且最近幾年因為它們能創造出「負折射率（negative index）」材料的特性而吸引了顯著的研究關注。負折射率材料能將任何在自然世界中所發現的光以相反方向彎曲。

但它們的表現顯著受到金屬的光線吸收所限，這些金屬是它們的部份成份 -- 金屬也許能將照耀其上的光線吸收 50% 以上，並大幅減少基於這些材料之裝置的性能。

研究者發現，這個問題的解決方法，是添加一種光學上的「增益（gain）」到毗鄰金屬的介電質（dielectric）以抵消這種損失。這篇新論文略述如何成功地辦到這件事，並證明能完全補償損失光線的能力。研究者說，已有理論說這是可能的，但在這之前不曾做到過，而且理論本身也受到許多科學上的爭辯。

就其本身而論，這也許移除了一種最終障礙物，並使「一堆相關應用的夢想」成為可能，Podolskiy 說。

"我們的研究證明，透過增益來補償表面電漿極化子（surface plasmon polariton，SPP，表面電漿極激子）的損失事實上是可能的，這為奈米電漿子學（nanoplasmonics）與超材料的許多實際應用開闢了道路，" 研究者在他們的研究中寫道。"除了解決現代奈米電漿子學的根本限制外，所觀察到的現象也為主動式光學超材料的工具箱添加了一種新的發射源。"

※ 相關報導：

＊ Stimulated Emission of Surface Plasmon Polaritons
http://link.aps.org/abstract/PRL/v101/e226806

M. A. Noginov, G. Zhu, M. Mayy, B. A. Ritzo, N. Noginova,
and V. A. Podolskiy
Phys. Rev. Lett. 101, 226806 (2008)
doi: 10.1103/PhysRevLett.101.226806

We have observed laserlike emission of surface plasmon polaritons (SPPs) decoupled to the glass prism in an attenuated total reflection setup. SPPs were excited by optically pumped molecules in a polymeric film deposited on the top of a silver film. Stimulated emission was characterized by a distinct threshold in the input-output dependence and narrowing of the emission spectrum. The observed stimulated emission and corresponding compensation of the metallic absorption loss by gain enables many applications of metamaterials and nanoplasmonic devices.