在材料科學(xué)中，消色差光學(xué)元件具有高透明性和低色散性。材料科學(xué)家們已經(jīng)證明，盡管金屬是高度不透明，但密集排列的金屬納米顆粒陣列（按體積計(jì)金屬含量超過75%）在紅外輻射下比鍺等介質(zhì)更透明。這種陣列可以形成有效的介質(zhì)，在超寬帶波長范圍內(nèi)幾乎沒有色散，從而設(shè)計(jì)出各種下一代基于超材料的光學(xué)設(shè)備。科學(xué)家可以通過改變納米顆粒的大小、形狀和間距來調(diào)整這些材料的局部折射率，從而設(shè)計(jì)出梯度折射率透鏡，引導(dǎo)和聚焦微觀尺度上的光。

電場可以強(qiáng)烈地集中在金屬納米粒子之間的間隙中，以便同時(shí)聚焦和“擠壓”介質(zhì)場，從而產(chǎn)生強(qiáng)大、雙重增強(qiáng)的熱點(diǎn)。科學(xué)家們可以利用這些熱點(diǎn)來推動紅外光譜和其他非線性過程在寬頻率范圍內(nèi)的測量。在發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上的研究中，塞繆爾·j·帕爾默（Samuel J. Palmer）和英國物理、數(shù)學(xué)和納米技術(shù)系一個(gè)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)美國、西班牙和德國的研究表明，人工介質(zhì)對紅外輻射可以保持高度透明，即使粒子是納米級，也能觀察到這一結(jié)果。

圖示說明金屬、介質(zhì)和有效介質(zhì)如何響應(yīng)緩慢變化的電場，在每個(gè)系統(tǒng)中，外加電場與表面電荷積聚產(chǎn)生的感應(yīng)電場相對。圖片：Nature Communications

研究證明了電場穿透粒子（使它們在傳導(dǎo)上不完美），使它們在緊密排列中發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。研究結(jié)果將使材料科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出用于中紅外波長區(qū)域的非彩色光學(xué)元件。能夠通過改變納米顆粒的大小、形狀和間距來調(diào)整這些成分的局部折射率，同時(shí)對周圍環(huán)境的局部折射率具有敏感性。科學(xué)家們增強(qiáng)了陣列中金屬納米顆粒間隙中的電場，同時(shí)利用其透明性、可調(diào)諧性和高金屬填充率設(shè)計(jì)了梯度折射率透鏡。該研究將光聚焦在微尺度上，壓縮納米尺度上的電場，從而在整個(gè)紅外（IR）區(qū)域產(chǎn)生雙增強(qiáng)電場熱點(diǎn)。

科學(xué)家們設(shè)想，這項(xiàng)新研究將促進(jìn)利用紅外光譜和其他非線性過程在廣泛的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測量。材料科學(xué)家目前能夠開發(fā)新的和先進(jìn)材料；然而沒有任何一種新材料的結(jié)構(gòu)完全相同。大多數(shù)材料都可以用均勻的微觀特性來表征，例如折射率，其中原子的不均勻性小于入射到材料上的平均波長。當(dāng)材料含有足夠的亞波長結(jié)構(gòu)時(shí)，被稱為超材料的人工構(gòu)建材料用有效指數(shù)來描述。早期的超材料包括由幾厘米尺度的金屬粒子陣列組成的人工介質(zhì)，這些金屬粒子陣列能夠像介質(zhì)一樣引導(dǎo)和聚焦無線電波。

金屬納米粒子陣列的有效介電常數(shù)

早期人工介電材料中的金屬粒子非常大，它們對無線電波具有很高的透明度，表現(xiàn)出完美的導(dǎo)體特性。材料科學(xué)的新研究目標(biāo)是利用納米金屬顆粒陣列建立有效的可見光和紅外光譜介質(zhì)。隨后，金屬納米粒子組裝技術(shù)的進(jìn)步，可以在光學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)前所未有的光與物質(zhì)相互作用的復(fù)雜工程。在目前的研究中，對比了納米環(huán)陣列和納米球（雖然納米顆粒可以有其他形狀）與鍺的透明度，以證明該陣列可以引導(dǎo)和聚焦光。納米線陣列在橫向偏振光作用下表現(xiàn)為有效的介質(zhì)；電子上的橫向力導(dǎo)致表面電荷振蕩，模擬了真實(shí)介質(zhì)中原子的振蕩偶極子。

而圓柱體對橫向磁偏振光的響應(yīng)與體金屬相似，電子在縱向電場作用下自由運(yùn)動而不與圓柱體表面接觸。在這項(xiàng)研究中，無論入射偏振是什么，納米球陣列都表現(xiàn)得像有效的介質(zhì)——將電子聚焦于任何方向，從而產(chǎn)生模擬介質(zhì)振蕩偶極子的表面電荷。與鍺等真實(shí)介質(zhì)相比，這種陣列顯示出很高的透明度——即使該系統(tǒng)的金屬含量高于75%。為了驗(yàn)證該理論的準(zhǔn)確性，研究人員使用直徑為60納米的金納米顆粒制作了一個(gè)高度有序的膠體超晶體。在鍺襯底上沉積了超晶體，并用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)對材料進(jìn)行了表征（測試了物理性能）。

透明金屬陣列的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬

科學(xué)家們觀察到這種材料具有很高的透明度，證明了實(shí)驗(yàn)制作超材料的可行性。利用近場磁場，發(fā)現(xiàn)有效介質(zhì)是透明的，足以作為微米級的透鏡對紅外輻射。盡管在體積上含有82%的金屬，科學(xué)家們觀察到，將純金分解成一系列的金納米囊，可以產(chǎn)生一種能夠聚焦光線的透明透鏡，這與均勻介質(zhì)透鏡的行為非常相似。然后，科學(xué)家們對不同類型的金屬（鋁、銀、金和鈦）進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，表皮深度較長材料產(chǎn)生的納米顆粒陣列最透明，分散性最小。研究表明，在固定的波長下，粒子直徑與金屬表面深度的比值決定了該粒子是表現(xiàn)為準(zhǔn)粒子偶極子，還是表現(xiàn)為完美導(dǎo)體。除了高透明度，科學(xué)家還可以通過控制粒子的大小、形狀和空間來調(diào)整系統(tǒng)。

透明度是材料表皮深度的函數(shù)

例如通過控制橢圓柱面陣列的展弦比來表明材料各向異性響應(yīng)是可以調(diào)諧的。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，有效指數(shù)的變化幅度可達(dá)50%以上。因此，科學(xué)家們能夠通過固定粒子位置和調(diào)整它們的大小來調(diào)整有效指數(shù)。為了突出這種調(diào)整局部有效指數(shù)的潛力，使用金色圓柱體的三角形網(wǎng)格構(gòu)建了梯度指數(shù)（GRIN）透鏡，并隨著位置改變圓柱體的直徑。利用GRIN透鏡，科學(xué)家們能夠同時(shí)將光聚焦在微尺度上，然后在納米尺度上“擠壓”光，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的“雙重增強(qiáng)”電場熱點(diǎn)。與等離子體增強(qiáng)不同，這種效應(yīng)并不依賴于損耗共振，顯示出寬帶和低損耗特性。GRIN透鏡的焦點(diǎn)必須與最近堆積區(qū)域重合，以最大限度地壓縮電場。

（圖示）左：金納米線的有效指數(shù)，作為長寬比和粒度的函數(shù)。數(shù)字（實(shí)線）和麥克斯韋·加內(nèi)特混合公式（破折號

與研究中空氣-金屬界面上連續(xù)存在的磁場不同，電場強(qiáng)烈地定位在縫隙中。結(jié)果，將2μm波長壓縮到2nm間隙產(chǎn)生了研究中強(qiáng)烈的高強(qiáng)度熱點(diǎn)。通過這種方法，利用金屬納米顆粒陣列構(gòu)建了低損耗、有效的介質(zhì)。科學(xué)家們獲得了高度透明的陣列，其透明度超過了鍺等真實(shí)介質(zhì)的透明度；因其對低能量輻射的透明性而聞名。還能夠局部調(diào)整和控制形成新超材料粒子的大小、形狀和空間。科學(xué)家們展示了有效折射率是基本上對所有波長大于2m常數(shù)。這項(xiàng)研究將使材料科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)具有超材料的精密光學(xué)設(shè)備，這種超材料可以引導(dǎo)或增強(qiáng)光在廣泛的頻率范圍內(nèi)，基本上沒有波長的上限。

參考期刊《科學(xué)》《Nature Communications》《物理評論快報(bào)》《Optics Express》DOI: 10.1038/s41467-019-09939-8DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.4773DOI: 10.1126/science.1096796DOI: 10.1364/OE.23.028170博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普