增强光线的负折射率超材料研制成功

2010-8-06 00:00 来源: 科技日报
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  美国研究人员研制出了一种可增强光线的负折射率超材料,从而扫除了超材料在光学技术领域大展拳脚的根本障碍。新研究预示着,研究人员能据此研发出功能超强的显微镜、计算机甚至隐形斗篷。相关研究成果发表在8月5日出版的《自然》杂志上。

  超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。负折射率超材料的研发工作一直困难重重,主要原因在于很多入射光线要么流失,要么被超材料中所含的金和银吸收,这使得超材料一直很难被用于制作光学设备。经过3年多努力,美国普渡大学比尔克纳米技术中心的研究人员终于消灭了这只“拦路虎”。

  普渡大学电子和计算机工程系教授弗拉基米尔·沙拉耶夫团队用渔网样薄膜和银、氧化铝叠层研制出新的光学超材料。他们将银和不传导的氧化铝交替层堆叠在一起,在薄膜上挖出直径100纳米的小洞,小洞交织在一起呈现出渔网图样。研究人员接着蚀刻掉银层之间的一部分氧化铝,并代之于一种由能增强光线的彩色染料制成的“增益介质”。

  沙拉耶夫称,此前曾有研究人员尝试在渔网薄膜的顶部应用不同的增益介质,但这些方法并没有明显减少光线损失。该团队将染料放置在渔网薄膜的银层之间,此处的光“定域场”远远强于薄膜表面,从而将增益介质的效率提高了50倍。

  在自然界发现的所有材料都具有正折射率,折射率被用来衡量电磁波从一种媒介进入另一种媒介时,光线被弯曲的程度,弯曲意味着存在光线损失。

  沙拉耶夫表示,新研制的超材料具有改变光线传播方向的能力,光线在这种材料中会出现“负折射”,而且,因为拥有增益介质,新的光学超材料还可以增强入射的光线。他指出,制造这种材料是一个非常复杂的过程。研究人员必须精确地移除尽可能多的氧化铝层,以便为染料腾出空间,同时又不破坏整个结构。

  研究人员称,新的超材料能大大推动变换光学领域的进展。可能的应用包括研制出二维超级透镜(这种透镜能将光学显微镜的精度提高10倍,能够看见小到DNA的物体)、先进传感器、新型聚光镜(用来制作更高效的太阳能聚集器)、使用光而不是电子信号来处理信息的计算机和电子产品,甚至隐形斗篷等。