美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD）工程師開發了一種材料，可以減少光子器件中的信號損失。該成果有可能提高各種基于光技術器件（包括光纖通信系統、激光器和光伏電池）的效率。工程師說，這個發現解決了光子學領域最大的挑戰之一：盡量減少器件中稱為等離子體超材料的光學（光基）信號損失。

    等離子體超材料是納米級工程化的材料，以不尋常的方式控制光。它們可用于開發從隱形斗篷到量子計算機等不同種類的器件。但是，超材料通常含有金屬，因此會將從光吸收能量轉化為熱。最終結果使一部分光信號被浪費，降低了器件效率。

    在自然通信期刊最近發表的一項研究中，UCSD雅各布工程學院的電氣工程教授Shaya Fainman領導的一個光子學研究團隊展示了一種彌補這些損失的方法，將超材料并入到半導體中。

    Fainman研究團隊中的電氣工程博士后學者及本研究的第一作者Joseph Smalley說：“我們用半導體的增益抵消金屬帶來的損耗，理論上這種組合可能導致信號的零凈吸收——一種‘無損’超材料。”

    在他們的實驗中，研究人員將紅外激光照射到超材料上。他們發現，根據光的偏振方式 ——哪個平面或方向（上下和左右）的所有光波被設置為振動——超材料反射或發射光。

    “這是第一種同時作為金屬和半導體的材料。如果光是一種偏振光，超材料會像金屬一樣反射光，當光以另一種方式偏振時，超材料會像半導體一樣吸收光并發射出不同顏色的光。”Smalley說。

    研究人員通過首先在襯底上生長稱為磷化銦鎵砷的半導體材料晶體來創建新的超材料。然后，使用來自等離子體的高能離子在半導體中蝕刻窄溝槽，形成間隔40nm、寬40nm的半導體陣列。最后，用銀填充溝槽以產生半導體與銀交替的納米條紋的圖案。

    “這是制造這種超材料的一種獨特方法。”Smalley說。具有不同層的納米結構通常通過將每個層彼此分開地沉積而制成，“像桌子上的一疊紙。”Smalley解釋說。但在本研究中使用的半導體材料（銦鎵砷化物）不能只在任何襯底（如銀）的頂部生長，否則會有缺陷。 “我們沒有創建交替層的堆疊結構，而是想出了一種并排排列材料的方法，像文件柜中的文件夾，保持半導體材料無缺陷。”

    下一步，團隊計劃研究這個超材料及其變體可在多大程度上改善目前光子應用中的信號損失。

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責任編輯：劉洋

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