零指数超材料和未来
发布时间：2024-02-07 06:00:07 阅读数： 27
图1所示。(a)理想均匀零指数介质。(b)零折射率介质在自由空间隐身、任意形状波导和光子晶体表面发射激光器中的应用。影片来源:《光明》(2024)。DOI: 10.1186/s43593-023-00059-x在材料科学领域，电磁(EM)超材料已经成为一种革命性的工程复合材料，能够以前所未有的方式操纵电磁波。与自然产生的材料不同，电磁超材料的非凡特性来自于其独特的结构安排，使其具有传统材料无法达到的电磁特性。电磁超材料最引人注目的特性之一是零折射率超材料(ZIMs)。zimm具有在任意形状上实现均匀电磁场分布的卓越能力(图1a)。这种独特的特性开启了许多潜在的应用，从超紧凑的隐形设备到任意形状的波导和透镜以及光子晶体表面发射激光器(图1b)。尽管具有巨大的潜力，但ZIMs在实际实施中面临着重大障碍。zimm的均匀性通常受到每个自由空间波长的单位细胞数量的限制。这种限制来自于用于构建ZIMs的材料的低介电常数特性。因此，ZIMs通常需要较大的物理空间来实现其有效的电磁特性(图2b)。
图2所示。(a)基于dirac锥的ZIM原理图。(b) 5×5传统的狄拉克锥基ZIM。(c)理想体积ZIM。(d) 3×3传统的基于狄拉克锥的ZIM。(e) 11×11高度均匀的狄拉克锥基ZIM。影片来源:《光明》(2024)。DOI: 10.1186/s43593-023-00059-x在《eLight》杂志上发表的一项研究中，研究人员已经克服了这一长期存在的挑战，他们使用高介电常数材料的新组合开发了一种高度均匀的ZIM。
如图3a所示，通过在BaTiO3背景基质中嵌入SrTiO3陶瓷柱，他们成功地制造出了均匀度提高了三倍以上的ZIM(图2b和2e)，显著减小了其物理尺寸。
图3所示。(a)高度均匀的ZIM示意图。(b)模拟高度均匀ZIM的有效折射率和阻抗。(c, d)模拟和测量的ZIM上表面近场分布。影片来源:《光明》(2024)。DOI: 10.1186/s43593-023-00059-x基于电磁场的相位在ZIM中的均匀分布，研究人员展示了一种高指向性天线。通过在金属波导中加入ZIM(图4a)，该天线已经接近了天线指向性的基本限制，因为孔径大小从亚波长范围变化到非常大的范围(图4c)。
图4所示。(a)基于zimm的天线照片。(b)模拟了基于zimm的天线远场指向性图。(c)基于zimm的天线与介质天线的模拟和测量的指向性与计算的指向性极限的比较。影片来源:《光明》(2024)。DOI: 10.1186/s43593-023-00059-x这一突破为基于zimm的设备的新时代铺平了道路，提供了前所未有的性能和紧凑性。研究人员的成就对包括无线通信、遥感和全球定位系统在内的广泛领域具有深远的影响。此外，他们的工作为超紧凑波导、隐形器件和超导量子计算的基础研究开辟了新的可能性。
