探索THz频段超材料的应用

超材料(Metamaterial)的前缀“Meta-”在希腊语中具有“超过”的含义,因此其整体表示那些超越了传统材料的新型材料。2000年,Smith等首次提出了“超材料”的概念,并且设计了一种在微波波段同时具备负磁导率和负电导率的结构材料[11]。但也有人认为,“超材料”的概念是由Walser在1999年提出的[12]。在仅仅几年之后,超材料领域就呈现出了爆发式的发展,基础物理、光学、材料科学、力学和电气工程等多个学科的研究人员从事这一领域的研究工作。超材料作为一种人工微结构材料,其特性是由周期单元结构决定的。超材料尺寸单元通常比波长小,并且它的电磁响应可以用体材料的参数表示。

几个世纪之前,虽然人们对超材料背后的物理机制不甚明了,但是在艺术领域已经实现了对超材料结构的应用。一个著名的例子就是大英博物馆展示的莱克格斯杯,可以追溯到公元4世纪。莱克格斯杯(金纳米颗粒镶嵌在红宝石玻璃上)可能是至今人们所知的首个超材料。该超材料结构的散射特性使得这个杯子在白光的照射下,杯体呈现绿色,而当光束透射杯子时,杯体呈现红色。

在现代科学中,当超材料概念还没有被科学家提出时,人工电磁超材料就已经出现了,首个亚波长超材料是由Bose于1898年设计的“扭曲的黄麻纤维”材料。人造介质常由金属线、球或者平板的周期阵列构成,此类材料被微波工程师深入研究了近半个世纪,这类人造介质就是当前术语中定义的超材料。此外,超材料还包括开口环谐振器、金属丝阵列、双各向异性的手性材料等。

在现代超材料研究领域中,普遍认为有三篇里程碑式的文章。第一篇文章中Veselago提出了左手材料,该文章研究了左手材料的非寻常现象,即电场矢量E、磁场矢量H、波矢k形成左手系[13]。同时,该文章明确地阐述了实现左手材料所需的材料参数,并给出了负电导率和负磁导率的模拟结果。第二篇文章中Smith等首次在实验上制备了Veselago提出的左手材料,实现了从理论预测到实验验证的巨大飞越[11]。第三篇文章是Pendry等关于完美透镜的工作,该文章填补了新型超材料应用领域的空白[14]。有趣的是,上述三篇文章都集中在了负折射率材料领域。这也是最初超材料吸引科学家研究的原因,过去“超材料”一词几乎等价于左手材料。而现如今,超材料的研究已经远远超出了负折射率材料范畴。许多人工设计的超材料已经表现出了前所未有的电磁特性,这些特性都是天然材料和传统工艺所不能实现的,可以通过人工调控超材料的结构尺寸、排列方式和嵌入材料的方式实现特定的功能。

由于超材料快速地应用于光学通信领域,在现如今的超材料研究分支中,那些能够调制光频段电磁响应的光学超材料是最吸引人和最具挑战的领域。光是传输信息的最终载体,它能够把信息封装在具有零重量和以光速传播的信号中。超材料的蓬勃发展是微纳加工技术和计算电磁设计方面相互结合、相互发展的结果。在高速发展的超材料领域,一些前沿的研究方向正在形成,例如光磁、光学负折射率材料、人工手性、超材料的非线性特性、超材料的超分辨和电磁隐身技术。

近年来,超材料技术研究得到了快速发展。这种非传统的电磁介质具有巨大的研究潜力。由于超材料具有操纵光子的能力,其在光学传感、微型天线、新型波导、亚波长成像、纳米尺度光刻和光子电路方面具有广阔的应用前景。然而,现在的超材料并不完美,它们常常具有高损耗、色散或是各向异性的特点。基于上述问题,研究工作者正逐步优化设计、探索新的物理机制以制备出更加振奋人心的新型功能器件。

大部分电磁现象都可以利用麦克斯韦方程组加以描述和解释,并能够清晰地阐明场、源和材料的内在联系。材料的电磁特性一般由两个材料参数决定：介电常数ε和磁导率μ,它们分别描述材料与电磁波的电场分量和磁场分量的相互作用能力。这两个参数对应着另外两个参数：折射率和阻抗Z=,它们本质上是宏观有效参数,常被用来表示材料的整体平均响应。在宏观尺度上,晶体是由原子以固定的晶格常数周期性排列组成的。在原子尺度上,在每一个原子或分子中,入射光的电场分量都能够激发出微小的电偶极子,其在特定的时间延迟后能够辐射出能量。由于激发的偶极子能够在晶体中产生一个周期性的局域场——洛伦兹局域场,所以晶体内的场分布是不均匀的。在宏观尺度上,不均匀结构的细节特征和响应是平均的,其相互间的关系可以通过麦克斯韦方程组的宏观场向量表示,如电场矢量E、磁场矢量H、电位移矢量D和磁感应强度B,这就是材料介电常数和磁导率的起源。(www.xing528.com)

类似地,超材料的不均匀性尺寸远小于所关注的波长。对于周期性超材料,这种不均匀性尺寸对应着人工结构的晶格常数。虽然在微观尺度上,电磁场与超原子之间的相互作用非常复杂,但是在宏观尺度上,对于光波来讲,超材料可以被认为是一种均匀介质。此外,超材料对外场的电磁响应与传统材料类似,被视为均匀分布,可以利用有效参数(介电常数、磁导率、折射率和阻抗)来表示。这也再次解释了超材料被归类为材料而非器件的原因。从麦克斯韦方程组出发,超材料就是一种具有介电常数ε和磁导率μ的亚波长单元集合,通过专门设计精细的超原子结构,可以实现前所未有的介质电磁响应特性。

由于超材料对外场的响应主要取决于参数ε和μ,可以利用上述两个电磁参数的空间分布来实现材料分类。图2.12中介电常数实部εr对应横坐标,磁导率实部μr对应纵坐标。已知传统透明材料的εr和μr都为正数,所以其归属第一象限。当介电常数实部εr为负数时,在材料内部引起的电(磁)场方向与入射场方向相反。贵金属材料在可见光波段就是典型的负介电常数材料,并且铁磁材料在谐振频率处具有负磁导率。当材料属于第二或第四象限时,两个参数之一为负数,导致其折射率为纯虚数,这种情况下,材料不支持光束传输。在光学领域,所有的传统材料都被限制在虚线μr=1附近的一个极窄区域内,如图2.12所示。

图2.12　εr和μr的数空间分布图

超材料的研究与电磁参数空间的开发创新紧密相关。超材料研究团队主要集中创造那些在电磁参数空间中满足麦克斯韦方程组且具备传统材料所没有的特性的材料。研究人员通过扩展电磁参数空间更好地实现了对电磁波的控制。负折射率材料的出现扩展了电磁参数空间的第三象限,这也是以前难以想象的。随着计算技术和制造技术的发展,电磁参数空间中其他区域也将被进一步研究,以便探索更多前所未有的电磁特性。

THz技术在物理学、材料学、生物学、天文学等领域显示出巨大的应用潜力,但是天然材料无法对THz波产生强烈的电或磁响应。通过设计超材料的谐振单元,可以在THz波段得到所需要的电磁特性。例如,THz超材料可以用于发展突破衍射极限的THz成像系统,实现完美的THz吸收体等。除此之外,THz超材料也可以用于实现主动调控器件,如开关、调制器和存储器件。

在过去的几十年中,人们提出了各种各样的THz超材料谐振单元结构,例如金属线结构、螺旋线结构、开口谐振环结构、金属棒结构、十字结构、渔网结构等。其中一些结构能够在THz波段实现单一负介电常数或磁导率,另一些则能够在THz波段实现负折射率。