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清华教师《科学》发文:通过“光学掺杂”实现材料电磁特性调控
梅西 2017-03-16
导语

清华电子系青年教师李越等在宏观尺度下将单个介质材料掺杂于近零介电常数的光学媒质中,实现对该媒质电磁特性的调控。该研究为人工电磁材料的制备,以及可重构器件和系统的研究提供了一个新的实现方法,在信号处理、通信及传感等领域都有潜在应用价值。

3月10日,清华大学电子工程系青年教师李越合作在《科学》期刊在线发表题为《近零介电常数媒质的光学掺杂》的研究论文,在宏观尺度下将单个介质材料掺杂于近零介电常数的光学媒质中,实现对该媒质电磁特性的调控。该研究揭示了经典微观原子掺杂方法可以拓展到宏观尺度,为人工电磁材料的制备,以及可重构器件和系统的研究提供了一个新的实现方法,在信号处理、通信及传感等领域都有潜在应用价值。

图:宏观掺杂示意图

掺杂是微电子科学中重要的材料制备技术,对半导体工业的发展有重要意义。通常,对于掺杂理论的研究集中在微观尺度,通过在目标材料中掺入少量其他原子,实现目标材料宏观特性的控制,如介电常数、磁导率、电导率等。在本研究中,李越与合作者发现并验证了经典的微观掺杂理论在宏观尺度下的实现条件、方法及特性, 即在近零介电常数媒质中,掺杂一个或几个宏观尺度的“杂质”对整体零介电常数媒质电磁特性的调控,制备“均匀”的具有某种特殊特性的人工电磁材料,例如理想磁导体、近零折射系数材料等。

与现有人工电磁材料采用复杂周期结构相比,宏观掺杂方法是在单一非周期材料中实现,具有结构简单和方便调节的优势。同时, 该论文解释了若干“反常”的掺杂特性,例如目标材料的宏观掺杂特性与材料形状无关,与杂质的掺杂位置无关等,并通过微波波导平台进行试验验证。 

图:基于微波波导平台的宏观掺杂实验:(a)测试平台、(b)对比仿真、(c)测试数据。

近零介电常数媒质(epsilon-near-zero media)是一种具有特殊电磁特性的材料。在该材料中,电磁波的工作波长(空间相关量)与工作频率(时间相关量)无关,即任意频率的电磁波均具有近似无穷大的波长与相速度。基于该理论,任意大尺度的近零介电常数媒质可以等效为经典时空中一个无穷小点,物质的微观特性可以拓展到宏观尺度。

作为论文的共同第一作者,李越完成了宏观掺杂基础概念的理论分析、仿真验证及实验测试数据分析。近年来,李越的主要研究方向是电磁场理论、天线及人工电磁材料,致力于新型微波材料与器件的研究工作。美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德·恩赫塔(Nader Engheta)教授为本文通信作者,本研究得到国家自然科学基金(61301001)资助。

论文链接:

Iñigo Liberal, et al, "Photonic doping of epsilon-near-zero media," Science 10 Mar 2017: Vol. 355, Issue 6329, pp. 1058-1062, DOI: 10.1126/science.aal2672

(本文来源:清华大学新闻网;)

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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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