“無損”超材料可以提高激光和其它光學設備的效率

加利福尼亞大學聖地亞哥分校的工程師開發了一種材料，可以減少光子器件的信號損耗。這種技術進步有望用於提高各種以光為基礎的技術的應用效率，包括光纖通信係統、激光和光電器件等。

這一技術使得光子學領域的最大的挑戰之一得以解決，即：使得光學損耗最小（光）的被稱為等離子體介質設備。

人工電磁材料是材料工程上的在納米尺度以不尋常的方式進行控製光的一種材料。他們可以用來開發外來設備比如從隱形鬥篷到量子計算機。但問題是，他們所用的超材料通常含有金屬，從光中吸收能量並將其轉換為熱量。其結果是，一部分的光信號被浪費，降低了設備的效率。

最近發表在《自然通訊》雜誌上的一項研究中，由電氣工程學教授Shaya Fainman領導的一個光子學的研究團隊，在加州大學聖地亞哥分校進行的研究證明了利用添加可激發光發射的金屬材料來彌補這些光損失，即一種光學半導體。

“我們利用這種半導體的增益來抵消了金屬的光損失。這樣的組合可以實現信號的無損，以及超材料光的零淨吸收，”Joseph Smalley說，他是電氣工程學的一名博士後學者，目前在在Fainman組進行相關研究，並且是該研究的第一作者。

在他們的實驗中，研究人員把光從一個紅外激光發射並照射在介質上。他們發現，這取決於光的偏振的平麵或方向（上下、左右）所有光波都設置為振動，介質或者反射或發射光。

這是首次與金屬和半導體同時存在的一種材料。如果光是偏振的方式之一，超材料的反射光就會像金屬一樣，當光是偏振的其他方式，超材料的吸收和發射光是不同顏色，就像半導體，” Smalley說。

研究人員創造了這種新的超材料，首先是生長為一種晶體的半導體材料，被稱為銦镓砷化物，是在基板上。然後，他們利用等離子體的高能離子蝕刻狹窄的溝槽實現半導體，創建40納米寬且行半導體間隔為40納米。最後，他們利用銀創建一個交替的條紋圖案和銀納米半導體的溝。

“這是以一種獨特的方式來製造這種物質，” Smalley說。不同層的納米結構通常是由每一層分別沉積在另一層之上，“就像一疊紙在桌子上，” Smalley解釋說。但在這項研究中使用的半導體材料（銦镓砷化物）不能在任何襯底上生長（如銀），否則會有缺陷。“不能創建一個堆棧交替層，我們想出了一種方式來安排材料並排，像文件夾在文件櫃，保持半導體材料的自由缺陷。”

下一步，研究小組計劃調查有多少這種超材料和其他的版本可以提高光子應用，用以解決目前所存在的信號的損失。

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