澳大利亚国立大学演示非线性可调谐特异材料

1、澳大利亚国立大学演示非线性可调谐特异材料    作者：PaulGrad澳大利亚国立大学非线性物理中心的一个研究小组最近率先制作出了可调谐非线性特异材料。使用该材料，他们演示了一些有趣的效应。1该小组主要研究非线性材料（电磁波的频率或强度会改变材料的属性，并与材料发生相互作用）以及3.113.27GHz之间的微波频率。在这一频率范围内，这种特异材料会变成“左手性”材料（即具有负的折射率），而在其他频段该材料则不具备“左手性”特征。研究人员首先对微波特异材料的自由    作者：Paul Grad   

2、;  澳大利亚国立大学非线性物理中心的一个研究小组最近率先制作出了可调谐非线性特异材料。使用该材料，他们演示了一些有趣的效应。1 该小组主要研究非线性材料（电磁波的频率或强度会改变材料的属性，并与材料发生相互作用）以及3.113.27GHz之间的微波频率。在这一频率范围内，这种特异材料会变成“左手性”材料（即具有负的折射率），而在其他频段该材料则不具备“左手性”特征。    研究人员首先对微波特异材料的自由空间散射性质进行了实验研究。该材料由多层印刷电路板构成，并且板上印有由裂缝谐振环（SRR）和导线构成的超晶格。研究小组研究了层间距可变的规则结构中电磁

3、波的透射和反射。此后，他们将电路板排列成不同的超晶格结构，并且分析特异材料的双共振行为。研究人员发现：在一维方向改变板排列的周期，能够使反射与透射的共振频率相对于共振频率发生15%的偏移。    制作可调谐非线性特异材料的第一步是研究单个非线性裂缝谐振环（SRR）磁共振的动态调谐性。首先，研究人员将电容二极管置于谐振环的缝隙中。二极管允许通过施加直流电压或高功率信号对SRR进行调谐。2 然后，研究人员在超晶格结构中的每个SRR内安装电容二极管，以制成可调谐非线性特异材料。他们演示了不同的调谐状态（具有和不具有平行于电容二极管的电感线圈的情况）。线圈不但能改变非线性

4、的符号，并且还能消除沿电容二极管累积电荷导致的记忆效应。      图1: 可调谐非线性特异材料（用于微波波段）由一系列印刷电路板构成。板上印有由裂缝谐振环和导线构成的超晶格结构。     改变振幅实现调谐    接下来，研究人员研究了三维可调谐非线性特异材料的性质。三维材料的制作是通过在合成结构中的每个SRR中引入电容二极管实现的，因此通过改变传输电磁波的振幅就可以对整个结构进行动态调谐（见图1）。该小组测量到共振自身发生了显著移动，并且测量了不同功率下通过导线及SRR构成

5、的非线性特异材料的透过率。当电磁波的频率接近共振的左端时，能够观测到特异材料的透过率增强。随着功率的提高，频率会移动到正的极化率区，并且材料会变得不透明。因此，研究人员观察到了材料透过率的降低（几乎高达30dB），这种现象恰好与他们早期的理论预言相吻合（见图2）。        研究人员Ilya Shadrivov指出：在该小组使用的大规模晶格中，二极管代替了材料中的单个原子，例如玻璃。原子起到微小的电偶极子作用，并与入射波发生相互作用。现在用二极管也起到了相同的作用。    

6、0;   Ilya Shadrivov称：“如果在导线环上使用电性质随场强改变的可变电容二极管，便可引入非线性行为。这些大规模二极管阵列的使用，能够为我们的测试以及模型的进一步开发提供灵活性，并且是在人工容易加工的尺度上。在微波波段，波长更长并且晶格更大，但在可见光波段，其物理概念以及数学形式与微波波段完全相同。”    Shadrivov指出，该材料可用于保密通信线圈能够吸收通信系统中使用的频率，从而避免其他人对通信过程进行监听。      图2: 随着入射功率增加，能明显观察到光束透过率下降

7、，并且频率向正极化率区移动。     非线性物理中心的主管Yuri Kivshar教授（几年前他在澳大利亚首度发起特异材料的研究，并且提出了可调谐非线性材料的新概念）对他所领导的研究小组开发的左手特异材料的新奇特征进行了概括。几年以前，该小组就在理论上预言：由于存在完全的光子带隙，由多层左手特异材料构成的一维周期性结构能够在三维方向束缚光线。3Kivshar指出：“这与光子晶体常规的物理概念截然不同，因为通常需要二维或者三维周期性的复杂结构以获得完全的光子带隙。”    Kivshar相信这些发现对将来特异材料在微波、太赫兹波方面的应用具有重要意义，并且，当可见光波段的材料加工技术成熟后，这些特异材料对该波段也同样适用。此外，利用非线性特异材料的性质，该小组打算通过实验来演示可调谐屏蔽效应，这种效应将允许人们随意控制物体的可见度。     参考文献1. I.V. Shadrivov, Appl.Phys. Lett. 90, 201919 (2007).2. DA. Powell, I.V. Shadrivov, Yu S Kivshar, M V Gofkunov, A