带电子产品的啮合光学器件：物理发现导致弹道光学材料

新开发的弹道光学材料包括两种透明材料的复合材料，产生等离子体材料。

电子器件越来越多地与光学系统配对，例如当通过光纤电缆在电子运行计算机上访问互联网时。

但是啮合光学 - 依赖于称为光子的光颗粒 - 通过电子依赖电子 - 依赖电子 - 是具有挑战性的，由于它们的不同尺度。电子以小于光的刻度工作得多。电子系统和光学系统之间的不匹配意味着每次信号从一个转换为另一个，效率低下都会进入系统。

现在，由普渡大学科学家领导的团队已经找到了一种使用半导体和放大电子活动的物理学的更有效的超材料的方法。该研究发表在Optica期刊。

这类新的材料有可能大大提高医疗扫描和科学成像的分辨率，大大减少超级计算机的大小，创造了一个未来，科学家可以在更大的细节和设备更小，更强大的情况下看到微小的东西。

科学家们已经工作了数十年来将光子缩小到纳米级，使它们与电子更兼容 - 一种称为纳米孔的田间。这可以采用稀薄材料和昂贵的生产技术来实现，以制造所谓的双曲线材料。使用双曲线材料，科学家可以通过压缩光来缩小光子，从而更容易与电气系统接口。

Evgenii Narimanov，纯粹的理论物理学家和电脑工程教授，解释说：“双曲线材料最重要的是，它们可以压缩到几乎任何尺度。当您可以轻松亮起时，可以解决光学和电子产品之间断开的问题。然后你可以制作非常有效的光电子。“

问题在于创建这些双曲线材料。它们通常由交织的金属和电介质层组成，并且每个表面必须尽可能在原子水平处如此光滑和缺陷，这是困难，耗时和昂贵的东西。

Narimanov认为，解决方案包括半导体。不是，他强调，因为关于半导体本身的任何特别的东西。但由于科学家和研究人员在过去的70年或更长时间里致力于有效生产高质量的半导体。Narimanov想知道他是否可以利用这种熟练程度，并将其应用于生产新的和改进的超材料。

不幸的是，半导体不制作固有的良好光学超材料;它们没有足够的电子。他们可以在中间到远红外刻度上以相对较低的频率工作。但是为了提高成像和传感技术，科学家需要在近红外光谱上可见的超材料，比中和远红外线更短的波长。

Narimanov和他的合作者发现并测试了一个名为“弹道共振”的光学现象。在这些新的光学材料中，将超材料概念与单晶半导体的原子精度相结合，自由（弹道）电子与振荡光学相互作用。

使光学场与自由电子的运动的频率同步，因为它们在薄导电层的范围内，形成复合材料，使得电子产生共振，增强每个电子的反应并产生工作的超材料更高的频率。虽然研究人员尚未能够达到可见光谱的波长，但它们确实得到了60％的方式。

“我们表明，有一种物理机制可以使这成为可能，”纳里曼诺夫说。“之前，人们没有意识到这是可以完成的事情。我们已经开辟了道路。我们展示了理论上是可能的，然后我们通过实验表现出了现有材料的运行频率的60％。“

Narimanov发起了这个想法，然后在德克萨斯大学的Kun Li，Andrew Briggs，Seth Bank和Daniel Wasserman以及Massachusetts大学的Evan Simmons和Viktor Podolskiy。德克萨斯大学研究人员开发了制造技术，而马萨诸塞州洛厄尔科学家们促进了全量子理论，并进行了数值模拟，以确保按计划运作的一切。

“我们将继续推动这个边界，”纳里曼诺夫说。“即使我们非常成功，也不会在一年或两两年内将半导体超材料获得可见和近红外光谱。可能需要大约五年。但是我们所做的是提供材料平台。光子学的瓶颈在电子和光子可以在相同的长度尺度上满足的材料中，我们已经解决了它。“

参考：“弹道式超材料”由Kun Li，Evan Simmons，Andrew F. Briggs，Seth R. Bank，Daniel Wasserman，Viktor A. Podolskiy和Evgenii E. Narimanov，2020年12月14日，Optica.Doi：
10.1364 / OPTICA.402891.

这项工作得到了国家科学基金会（授权DMR-1629276，DMR-1629330，DMR-1629570和ECCS-1926187）的部分支持，国防高级研究项目代理机构新生灯具互动计划，以及戈登和贝蒂摩尔基金会。