科學(xué)家宣布尋求高指數(shù)材料

由MIPT和ITMO大學(xué)的研究人員組成的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)一系列材料進(jìn)行了比較分析，以確定它們是否適用于介電納米光子學(xué)。他們的系統(tǒng)研究產(chǎn)生的結(jié)果可以優(yōu)化使用已知材料來(lái)構(gòu)建光學(xué)納米器件，并鼓勵(lì)尋找具有優(yōu)異性能的新材料。

為了發(fā)送，接收和處理電磁信號(hào)，使用天線。天線是能夠有效地發(fā)射，拾取和重定向電磁輻射的設(shè)備。通常，人們認(rèn)為天線是在無(wú)線電和微波范圍內(nèi)工作的宏觀設(shè)備。但是，有類似的光學(xué)設(shè)備(圖1)?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)達(dá)數(shù)百納米。因此，光學(xué)天線必然是納米尺寸的器件。光學(xué)納米天線可以聚焦，引導(dǎo)和有效地傳輸光，具有廣泛的應(yīng)用，包括光學(xué)信道傳輸，光電探測(cè)，顯微鏡，生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，甚至加速化學(xué)反應(yīng)。

為了使天線有效地拾取和發(fā)送信號(hào)，其元件需要諧振。在無(wú)線電波段中，這些元件是線。在光學(xué)范圍內(nèi)，具有等離子體共振的銀和金納米顆粒(圖2a)長(zhǎng)期以來(lái)一直用于此目的。這種顆粒中的電磁場(chǎng)可以以10納米或更小的尺度定位，但是由于導(dǎo)電金屬的焦耳加熱，磁場(chǎng)的大部分能量被浪費(fèi)。等離子體納米粒子有一種替代品，在過(guò)去五年中已被廣泛研究，即具有高折射率的介電材料粒子在可見(jiàn)光頻率下，例如硅。當(dāng)介電粒子的大小和光的波長(zhǎng)恰好合適時(shí)，粒子支持特定類型的光學(xué)共振，稱為Mie共振 (圖2b)。由于電介質(zhì)的材料特性與金屬不同，因此可以通過(guò)用介電類似物代替等離子體納米天線來(lái)顯著降低電阻加熱。

確定Mie共振參數(shù)的材料的關(guān)鍵特性是折射率。由具有高折射率的材料制成的顆粒具有以高品質(zhì)因子為特征的共振。這意味著在這些材料中，電磁振蕩持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，無(wú)需外部激勵(lì)。此外，較高的折射率對(duì)應(yīng)于較小的粒徑，允許更多的微型光學(xué)裝置。這些因素使得高折射率材料 - 即具有高折射率的材料 - 更適合于實(shí)施介電納米天線。

在Optica發(fā)表的論文中，研究人員系統(tǒng)地研究了可用的高折射率材料在可見(jiàn)光和紅外光譜范圍內(nèi)的共振。這種材料包括半導(dǎo)體和極性晶體，例如碳化硅。為了說(shuō)明各種材料的行為，作者提出了相關(guān)的質(zhì)量因子，這些因素表明入射光激發(fā)的振蕩有多快就會(huì)消失。理論分析使研究人員能夠?qū)⒕w硅識(shí)別為目前可用的最佳材料，用于實(shí)現(xiàn)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)工作的介電天線，其中鍺的性能優(yōu)于紅外波段的其他材料。在光譜的中紅外部分，由于可能的應(yīng)用，例如輻射冷卻，即，特別感興趣 通過(guò)以電磁波的形式將熱量輻射到環(huán)境中來(lái)冷卻加熱體; 和熱偽裝 - 減少物體散發(fā)的熱輻射，從而使紅外相機(jī)看不見(jiàn)，鍺和碲的化合物占據(jù)了基座

質(zhì)量因素的價(jià)值存在根本性的限制。事實(shí)證明，半導(dǎo)體中的高折射率與電子的帶間躍遷有關(guān)，這不可避免地需要吸收入射光攜帶的能量。這種吸收反過(guò)來(lái)導(dǎo)致質(zhì)量因素和加熱的減少，這正是研究人員試圖擺脫的。因此，在高折射率和能量損失之間存在微妙的平衡。

“這項(xiàng)研究非常特別，因?yàn)樗峁┝俗钔暾母哒凵渎什牧蠄D，顯示了哪種材料最適合制造在此光譜范圍內(nèi)工作的納米天線，并且因?yàn)樗峁┝藢?duì)所涉及的制造工藝的分析，” Dmitry說(shuō)。 Zuev，ITMO大學(xué)物理與工程系超材料實(shí)驗(yàn)室研究員。“這使研究人員能夠選擇材料以及所需的制造技術(shù)，同時(shí)考慮到他們的具體情況所要求的要求。這是一個(gè)強(qiáng)大的工具，可以進(jìn)一步擴(kuò)展各種介電納米光子器件的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。“

根據(jù)制造技術(shù)的概述，硅，鍺和砷化鎵是納米光子學(xué)中使用最徹底研究的高折射率電介質(zhì)。有許多方法可用于制造基于這些材料的共振納米天線，包括光刻，化學(xué)和激光輔助方法。然而，在一些材料的情況下，尚未開(kāi)發(fā)出用于制造共振納米顆粒的技術(shù)。例如，研究人員尚未提出用碲化鍺制造納米天線的方法，通過(guò)理論分析，碲化鍺在中紅外范圍內(nèi)的性質(zhì)被認(rèn)為是最具吸引力的。

“毫無(wú)疑問(wèn)，硅是電介質(zhì)納米天線制造中使用最廣泛的材料，” MIPT的博士生Denis Baranov說(shuō)。“它價(jià)格實(shí)惠，基于硅的制造技術(shù)已經(jīng)確立。此外，這很重要，它與CMOS技術(shù)兼容，這是半導(dǎo)體工程的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但硅不是唯一的選擇?？赡艽嬖谠诠鈱W(xué)范圍內(nèi)具有甚至更高折射率的其他材料。如果它們被發(fā)現(xiàn)，這對(duì)于介電納米光子學(xué)來(lái)說(shuō)意味著好消息。“