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新型超材料给可见光一条“单行道”

导读: 超材料是一种能让光线改变方向的材料,大大提高了人们控制光线的能力。最近,美国国家标准技术研究所(NIST)科学家用银、玻璃和铬造出一种纳米结构的新型超材料。

  超材料是一种能让光线改变方向的材料,大大提高了人们控制光线的能力。最近,美国国家标准技术研究所(NIST)科学家用银、玻璃和铬造出一种纳米结构的新型超材料。作为一种可见光的“单行道”,它能在一个方向几乎完全遏制光线传播,而另一个方向使光线畅通无阻。研究人员认为,这种“单向光路”将来有望在光学信息处理、新型生物传感设备中大显身手。

  目前许多纳米结构的超材料也能让微波或红外光在介质中单向传播,但迄今还未能实现可见光的单向传播,因为现有设备相对于可见光来说太大了,无法控制可见光波长。现在所谓的“单向镜”并不能使光单向传播,而是一种半透半反镜,通过两边透射和反射的光强差异造成一种视觉上的差异。

  NIST研究员徐亭(音译)和汉瑞·利泽克将两种光控纳米结构结合在一起:一层玻璃一层银堆叠成的“千层糕”和铬金属制作的“栅栏”。银—玻璃结构是一种典型的“双曲面”介质材料,能按光的方向以不同方式处理光。由于材料层极薄,仅几十纳米,而可见光波长在400纳米到700纳米,因此对外部射进来的可见光来说,材料是不透明的,在材料内部,光线能以一个狭小的角度范围传播。

  他们用薄膜沉淀技术造出了一块由20层极薄二氧化硅玻璃和银交替组成的超材料,然后在材料两面各加了一组“铬栅”,一边铬栅的间隙小于入射光波长,能使入射光改变方向只能在材料内部传播;另一边“铬栅”能把要射出的光反射回材料内。虽然第二组“铬栅”未能完全防止光线“逃出”,但经检测,正向传播的光比逆向返回的光要多30倍左右,超过现有的任何其他同类材料。

  用现有方法来制造这种结合材料,是实现可见光单向传播的关键。利泽克说,如果没有银—玻璃块,就要把“铬栅”排列得更精细,超过现有技术能达到的水平。

  这些材料在光通讯领域中很有前景,比如将其整合到光子芯片上,分离或合并光波携带的信号。此外,还能用在生物传感领域,探测微小粒子。纳米粒子就像“铬栅”,也能使光线转向通过材料并从另一端出来,由此可以作为一种探测器。利泽克说:“这是一种很酷的设备,即使它表面有极小粒子,光线传播也会有极大变化。”

  正常情况下光路是可逆的,两边入射的结果应该一样,这导致因反射造成的光向后传播难以控制,这是光学设备的常见问题,严重降低了光通讯系统的性能,也阻碍了集成光学电路的发展。因此,我们急需一个可以实现光线单向传播的光隔离器,让光线像电流一样可控,从而把光传播的优异性能发挥出来。本研究主要解决的便是可见光传播的“可控”,除了材料学的成就,它还可能带动通讯等多领域的颠覆性进步,甚至一批划时代产品的出现。

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