研究人員新開發(fā)了一種彈道光學(xué)材料，由兩種透明材料復(fù)合而成，形成等離子體材料。如今，電子設(shè)備正越來越多地與光學(xué)系統(tǒng)配對(duì)，比如通過光纜在電子計(jì)算機(jī)上訪問互聯(lián)網(wǎng)。

但是，基于光子的光粒子和電子依賴于電子的光學(xué)系統(tǒng)由于尺度不同而具有挑戰(zhàn)性。電子的工作范圍比光小得多。電子系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)之間的不匹配意味著每次信號(hào)從一個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，低效率就悄悄地進(jìn)入系統(tǒng)。

現(xiàn)在，一個(gè)由普渡大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以利用半導(dǎo)體和一種新的物理方法來制造更有效的超材料，這種材料可以增強(qiáng)電子的活性。這項(xiàng)研究發(fā)表在Optica雜志上。

這類新材料有可能顯著提高醫(yī)學(xué)掃描和科學(xué)成像的分辨率，并大幅度縮小超級(jí)計(jì)算機(jī)的體積，創(chuàng)造出一個(gè)科學(xué)家可以更詳細(xì)地看到微小事物的未來，而且設(shè)備則更小、更強(qiáng)大。

幾十年來，科學(xué)家們一直致力于將光子縮小到納米級(jí)，以使其與電子更加兼容，這一領(lǐng)域被稱為納米聲子學(xué)。這可以通過使用稀薄的材料和昂貴的生產(chǎn)技術(shù)來制造所謂的雙曲型材料來實(shí)現(xiàn)。使用雙曲線材料，科學(xué)家可以通過壓縮光來縮小光子，使之更容易與電氣系統(tǒng)連接。

理論物理學(xué)家、普渡大學(xué)電學(xué)和計(jì)算機(jī)工程教授Evgenii Narimanov解釋說：“雙曲型材料最重要的是它們可以將光壓縮到幾乎任何尺度。當(dāng)你能使光變小，你就解決了光學(xué)和電子之間的脫節(jié)問題。那么你就可以制造出非常高效的光電器件�！�

問題在于創(chuàng)建這些雙曲型材料。它們通常由金屬和電介質(zhì)交織而成，每個(gè)表面都必須在原子水平上盡可能光滑和無缺陷，這是困難、耗時(shí)和昂貴的。

Narimanov認(rèn)為，解決方案包括半導(dǎo)體。他強(qiáng)調(diào)說，不是因?yàn)榘雽?dǎo)體本身有任何特殊之處。但因?yàn)榭茖W(xué)家和研究人員在過去的70多年里一直致力于高效地生產(chǎn)高質(zhì)量半導(dǎo)體。Narimanov想知道他能否利用這種熟練程度，并將其應(yīng)用于生產(chǎn)新的和改進(jìn)的超材料。

不幸的是，半導(dǎo)體本身并不能制造出好的光學(xué)超材料；它們沒有足夠的電子。它們可以在相對(duì)較低的頻率下工作，在中到遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)。但是為了改進(jìn)成像和傳感技術(shù)，科學(xué)家需要在可見光的近紅外光譜中工作的超材料，其波長(zhǎng)比中、遠(yuǎn)紅外要短得多。

Narimanov和他的合作者發(fā)現(xiàn)并測(cè)試了一種稱為“彈道共振”的光學(xué)現(xiàn)象。在這些新的光學(xué)材料中，將超材料的概念與單晶半導(dǎo)體的原子精度相結(jié)合，自由（彈道）電子與振蕩光場(chǎng)相互作用。

當(dāng)自由電子在薄導(dǎo)電層內(nèi)反彈時(shí)，使光場(chǎng)與自由電子的運(yùn)動(dòng)頻率同步，形成復(fù)合材料，使電子共振，增強(qiáng)每個(gè)電子的反應(yīng)，并創(chuàng)造出一種在更高頻率下工作的超材料。雖然研究人員還不能達(dá)到可見光譜的波長(zhǎng)，但他們確實(shí)獲得了60%的波長(zhǎng)。

Narimanov說：“我們證明了有一種物理機(jī)制使這成為可能。以前，人們沒有意識(shí)到這是可以做到的。我們已經(jīng)開辟了道路。我們證明了這在理論上是可行的，然后我們通過實(shí)驗(yàn)證明，與現(xiàn)有材料相比，工作頻率提高了60%�！�

Narimanov提出了這個(gè)想法，然后與德克薩斯大學(xué)的Kun Li, Andrew Briggs, Seth Bank和 Daniel Wasserman以及馬薩諸塞大學(xué)洛厄爾分校的Evan Simmons 和 Viktor Podolskiy合作。德克薩斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了這種制造技術(shù)，而馬薩諸塞州洛厄爾大學(xué)的科學(xué)家則為完整的量子理論做出了貢獻(xiàn)，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，以確保一切都按計(jì)劃運(yùn)行。

Narimanov說：“我們將繼續(xù)推進(jìn)這一前沿科技。即使我們?nèi)〉昧藰O大的成功，也沒有人能在一兩年內(nèi)將半導(dǎo)體超材料應(yīng)用到可見光和近紅外光譜中�？赡苄枰�五年左右。但我們所做的是提供物質(zhì)平臺(tái)。光子學(xué)的瓶頸在于電子和光子可以在相同尺度上相遇的材料，我們已經(jīng)解決了這個(gè)問題�！�

來源：https://phys.org/news/2020-12-physics-discovery-ballistic-optical-materials.html