基于离散超构原子的低损耗超构表面
2024-10-12 14:14:09 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

天津大学提出了一类基于离散超构原子的超构表面，能够有效降低辐射和本征损耗。通过离散化超构原子，研究人员将金属超构表面的损耗降低到与表面晶格共振模式下短波红外波段的介质超构表面相当的水平。

超构表面（Metasurfaces）是操控光和增强光-物质相互作用的成熟工具。然而，传统的超构原子（conventional meta-atoms，CMA）的损耗通常会限制超构表面的性能潜力。

据麦姆斯咨询报道，近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的Yisheng Gao提出了一类基于离散超构原子（discretized meta-atoms，DMA）的超构表面，能够有效降低辐射和本征损耗。通过离散化超构原子，研究人员将金属超构表面的损耗降低到与表面晶格共振模式下短波红外波段的介质超构表面相当的水平。此外，这项研究提出了一种耦合模型来解释损耗降低现象，这与通过有限元方法（FEM）得到的结果完全一致。最后，研究人员还利用介质超构表面在可见光波段的电与磁共振再现了这一现象。这项研究成果以“Low-loss metasurfaces based on discretized meta-atoms”为题发表在Communications Physics期刊上。

共振超构表面由60 nm的金（Au）方形晶格构成。通过将超构原子在x轴和y轴方向上分割成m块（如图1a，m = 3）来生成DMA，即每个DMA由m × m个亚超构原子（sub-meta-atoms，SMA）组成。图1b和图1c展示了在x偏振场激发下CMA和DMA超构表面的模拟透射光谱（黑色）和吸收光谱（红色）。

DMA超构表面示意图

图1 DMA超构表面示意图

图1a表明离散数m与间隙比s是DMA超构表面的关键参数。图2展示了在x偏振场激发下，不同离散数m与间隙比s的DMA超构表面的模拟透射光谱以及共振位置的电场模式。

DMA超构表面的表征

图2 DMA超构表面的表征

上述模拟结果表明，尽管超构原子被分割成多个SMA，但它们仍然可以作为一个整体发挥功能，因为SMA之间强大的电磁场能够有效地传递能量。此外，间隙中的无损材料可以进一步降低超构原子的损耗，而且随着间隙的增大，这种损耗降低的效果也会更加显著（如图2d）。研究人员采用由两个耦合驱动振荡器组成的模型来阐述CMA和DMA超构表面的工作机制。图3a和图3b分别展示了CMA和DMA超构表面的示意图（上半部分）和对应的关系矩阵（下半部分）。图3c和图3d展示了DMA超构表面中超构单元的示意图及其等效示意图。为了验证该模型，研究人员还比较了不同离散数和间隙的理论结果与模拟结果（如图4）。

DMA超构表面的机制

图3 DMA超构表面的机制

不同离散数和间隙的模拟结果与理论结果的比较

图4 不同离散数和间隙的模拟结果与理论结果的比较

图4表明，所提出的模型可以有效地解释在短波红外波段中由金属超构原子离散化而带来的损耗降低现象。此外，由于该理论模型基于经典共振，因此损耗降低现象应主要归因于共振现象，而非短波红外波段的金属超构表面特性。为了进一步验证这一点，研究人员在可见光波段再现了介质超构表面类似的电与磁共振所带来的损耗降低现象（如图5）。

DMA超构表面在可见光波段的电与磁共振