澳大利亞國立大學演示非線性可調(diào)諧特異材料

1、澳大利亞國立大學演示非線性可調(diào)諧特異材料    作者：PaulGrad澳大利亞國立大學非線性物理中心的一個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。1該小組主要研究非線性材料（電磁波的頻率或強度會改變材料的屬性，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)，這種特異材料會變成“左手性”材料（即具有負的折射率），而在其他頻段該材料則不具備“左手性”特征。研究人員首先對微波特異材料的自由    作者：Paul Grad   

2、;  澳大利亞國立大學非線性物理中心的一個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。1 該小組主要研究非線性材料（電磁波的頻率或強度會改變材料的屬性，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)，這種特異材料會變成“左手性”材料（即具有負的折射率），而在其他頻段該材料則不具備“左手性”特征。    研究人員首先對微波特異材料的自由空間散射性質(zhì)進行了實驗研究。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非線性裂縫諧振環(huán)（SRR）磁共振的動態(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。二極管允許通過施加直流電壓或高功率信號對SRR進行調(diào)諧。2 然后，研究人員在超晶格結(jié)構(gòu)中的每個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，并且還能消除沿電容二極管累積電荷導致的記憶效應。      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)和導線構(gòu)成的超晶格結(jié)構(gòu)。     改變振幅實現(xiàn)調(diào)諧    接下來，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在合成結(jié)構(gòu)中的每個SRR中引入電容二極管實現(xiàn)的，因此通過改變傳輸電磁波的振幅就可以對整個結(jié)構(gòu)進行動態(tài)調(diào)諧（見圖1）。該小組測量到共振自身發(fā)生了顯著移動，并且測量了不同功率下通過導線及SRR構(gòu)成

5、的非線性特異材料的透過率。當電磁波的頻率接近共振的左端時，能夠觀測到特異材料的透過率增強。隨著功率的提高，頻率會移動到正的極化率區(qū)，并且材料會變得不透明。因此，研究人員觀察到了材料透過率的降低（幾乎高達30dB），這種現(xiàn)象恰好與他們早期的理論預言相吻合（見圖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：“如果在導線環(huán)上使用電性質(zhì)隨場強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，能夠為我們的測試以及模型的進一步開發(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，波長更長并且晶格更大，但在可見光波段，其物理概念以及數(shù)學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，從而避免其他人對通信過程進行監(jiān)聽。      圖2: 隨著入射功率增加，能明顯觀察到光束透過率下降

7、，并且頻率向正極化率區(qū)移動。     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）對他所領導的研究小組開發(fā)的左手特異材料的新奇特征進行了概括。幾年以前，該小組就在理論上預言：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，因為通常需要二維或者三維周期性的復雜結(jié)構(gòu)以獲得完全的光子帶隙?！?#160;   Kivshar相信這些發(fā)現(xiàn)對將來特異材料在微波、太赫茲波方面的應用具有重要意義，并且，當可見光波段的材料加工技術成熟后，這些特異材料對該波段也同樣適用。此外，利用非線性特異材料的性質(zhì)，該小組打算通過實驗來演示可調(diào)諧屏蔽效應，這種效應將允許人們隨意控制物體的可見度。     參考文獻1. I.V. Shadrivov, Appl.Phys. Lett. 90, 201919 (2007).2. DA. Powell, I.V. Shadrivov, Yu S Kivshar, M V Gofkunov, A