澳大利亞國(guó)立大學(xué)演示非線性可調(diào)諧特異材料

1、澳大利亞國(guó)立大學(xué)演示非線性可調(diào)諧特異材料    作者：PaulGrad澳大利亞國(guó)立大學(xué)非線性物理中心的一個(gè)研究小組最近率先制作出了可調(diào)諧非線性特異材料。使用該材料，他們演示了一些有趣的效應(yīng)。1該小組主要研究非線性材料（電磁波的頻率或強(qiáng)度會(huì)改變材料的屬性，并與材料發(fā)生相互作用）以及3.113.27GHz之間的微波頻率。在這一頻率范圍內(nèi)，這種特異材料會(huì)變成“左手性”材料（即具有負(fù)的折射率），而在其他頻段該材料則不具備“左手性”特征。研究人員首先對(duì)微波特異材料的自由    作者：Paul Grad   

2、;  澳大利亞國(guó)立大學(xué)非線性物理中心的一個(gè)研究小組最近率先制作出了可調(diào)諧非線性特異材料。使用該材料，他們演示了一些有趣的效應(yīng)。1 該小組主要研究非線性材料（電磁波的頻率或強(qiáng)度會(huì)改變材料的屬性，并與材料發(fā)生相互作用）以及3.113.27GHz之間的微波頻率。在這一頻率范圍內(nèi)，這種特異材料會(huì)變成“左手性”材料（即具有負(fù)的折射率），而在其他頻段該材料則不具備“左手性”特征。    研究人員首先對(duì)微波特異材料的自由空間散射性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該材料由多層印刷電路板構(gòu)成，并且板上印有由裂縫諧振環(huán)（SRR）和導(dǎo)線構(gòu)成的超晶格。研究小組研究了層間距可變的規(guī)則結(jié)構(gòu)中電磁

3、波的透射和反射。此后，他們將電路板排列成不同的超晶格結(jié)構(gòu)，并且分析特異材料的雙共振行為。研究人員發(fā)現(xiàn)：在一維方向改變板排列的周期，能夠使反射與透射的共振頻率相對(duì)于共振頻率發(fā)生15%的偏移。    制作可調(diào)諧非線性特異材料的第一步是研究單個(gè)非線性裂縫諧振環(huán)（SRR）磁共振的動(dòng)態(tài)調(diào)諧性。首先，研究人員將電容二極管置于諧振環(huán)的縫隙中。二極管允許通過(guò)施加直流電壓或高功率信號(hào)對(duì)SRR進(jìn)行調(diào)諧。2 然后，研究人員在超晶格結(jié)構(gòu)中的每個(gè)SRR內(nèi)安裝電容二極管，以制成可調(diào)諧非線性特異材料。他們演示了不同的調(diào)諧狀態(tài)（具有和不具有平行于電容二極管的電感線圈的情況）。線圈不但能改變非線性

4、的符號(hào)，并且還能消除沿電容二極管累積電荷導(dǎo)致的記憶效應(yīng)。      圖1: 可調(diào)諧非線性特異材料（用于微波波段）由一系列印刷電路板構(gòu)成。板上印有由裂縫諧振環(huán)和導(dǎo)線構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)。     改變振幅實(shí)現(xiàn)調(diào)諧    接下來(lái)，研究人員研究了三維可調(diào)諧非線性特異材料的性質(zhì)。三維材料的制作是通過(guò)在合成結(jié)構(gòu)中的每個(gè)SRR中引入電容二極管實(shí)現(xiàn)的，因此通過(guò)改變傳輸電磁波的振幅就可以對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)諧（見(jiàn)圖1）。該小組測(cè)量到共振自身發(fā)生了顯著移動(dòng)，并且測(cè)量了不同功率下通過(guò)導(dǎo)線及SRR構(gòu)成

5、的非線性特異材料的透過(guò)率。當(dāng)電磁波的頻率接近共振的左端時(shí)，能夠觀測(cè)到特異材料的透過(guò)率增強(qiáng)。隨著功率的提高，頻率會(huì)移動(dòng)到正的極化率區(qū)，并且材料會(huì)變得不透明。因此，研究人員觀察到了材料透過(guò)率的降低（幾乎高達(dá)30dB），這種現(xiàn)象恰好與他們?cè)缙诘睦碚擃A(yù)言相吻合（見(jiàn)圖2）。        研究人員Ilya Shadrivov指出：在該小組使用的大規(guī)模晶格中，二極管代替了材料中的單個(gè)原子，例如玻璃。原子起到微小的電偶極子作用，并與入射波發(fā)生相互作用?，F(xiàn)在用二極管也起到了相同的作用。    

6、0;   Ilya Shadrivov稱：“如果在導(dǎo)線環(huán)上使用電性質(zhì)隨場(chǎng)強(qiáng)改變的可變電容二極管，便可引入非線性行為。這些大規(guī)模二極管陣列的使用，能夠?yàn)槲覀兊臏y(cè)試以及模型的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供靈活性，并且是在人工容易加工的尺度上。在微波波段，波長(zhǎng)更長(zhǎng)并且晶格更大，但在可見(jiàn)光波段，其物理概念以及數(shù)學(xué)形式與微波波段完全相同?！?#160;   Shadrivov指出，該材料可用于保密通信線圈能夠吸收通信系統(tǒng)中使用的頻率，從而避免其他人對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。      圖2: 隨著入射功率增加，能明顯觀察到光束透過(guò)率下降

7、，并且頻率向正極化率區(qū)移動(dòng)。     非線性物理中心的主管Yuri Kivshar教授（幾年前他在澳大利亞首度發(fā)起特異材料的研究，并且提出了可調(diào)諧非線性材料的新概念）對(duì)他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)的左手特異材料的新奇特征進(jìn)行了概括。幾年以前，該小組就在理論上預(yù)言：由于存在完全的光子帶隙，由多層左手特異材料構(gòu)成的一維周期性結(jié)構(gòu)能夠在三維方向束縛光線。3Kivshar指出：“這與光子晶體常規(guī)的物理概念截然不同，因?yàn)橥ǔＰ枰S或者三維周期性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以獲得完全的光子帶隙?！?#160;   Kivshar相信這些發(fā)現(xiàn)對(duì)將來(lái)特異材料在微波、太赫茲波方面的應(yīng)用具有重要意義，并且，當(dāng)可見(jiàn)光波段的材料加工技術(shù)成熟后，這些特異材料對(duì)該波段也同樣適用。此外，利用非線性特異材料的性質(zhì)，該小組打算通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)演示可調(diào)諧屏蔽效應(yīng)，這種效應(yīng)將允許人們隨意控制物體的可見(jiàn)度。     參考文獻(xiàn)1. I.V. Shadrivov, Appl.Phys. Lett. 90, 201919 (2007).2. DA. Powell, I.V. Shadrivov, Yu S Kivshar, M V Gofkunov, A