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你见过透明的金属吗?极其透明的金属超材料!

www.martialartssummerprogram.com2019-07-28
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  在材料科学中,消色差光学元件具有高透明性和低色散性别。材料科学家已经证明,尽管金属是高度不透明的,但是金属纳米颗粒的密集阵列(超过75%的金属)在红外辐射下比锗等介质更透明。

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该阵列可以形成有效的介质,在超宽带波长范围内几乎没有色散,因此设计了各种下一代基于超材料的光学器件。科学家可以通过改变纳米粒子的大小,形状和间距来调整这些材料的局部折射率,以设计一个梯度折射率透镜,将光线引导并聚焦在微观尺度上。

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电场可以强烈地集中在金属纳米颗粒之间的间隙中,以同时聚焦和“挤压”电介质场,从而产生强烈的双重增强热点。科学家们可以利用这些热点在很宽的频率范围内驱动红外和其他非线性过程的测量。在《自然通讯》(NatureCommunications)期刊上发表的一项研究中,Samuel J. Palmer和英国物理,数学和纳米技术系,美国,西班牙和德国的跨学科研究团队表明,人工培养基可以保持高透明度。红外辐射,即使颗粒是纳米级的。

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该图显示了金属,介质和有效介质如何响应缓慢变化的电场。在每个系统中,施加的电场与由表面电荷的累积产生的感应电场相反。图片:NatureCommunications

研究表明,电场穿透颗粒(使其导电不完美),导致它们在紧密排列中强烈相互作用。结果将使材料科学家能够为中红外波长区域设计消色差光学器件。可以通过改变纳米颗粒的尺寸,形状和间隔来调节这些组分的局部折射率,同时对周围环境的局部折射率敏感。科学家利用透明度,可调性和高金属填充率设计梯度折射率透镜,增强了阵列中金属纳米粒子间隙空间的电场。这项研究将光聚焦在微观尺度上,压缩纳米尺度的电场,在整个红外(IR)区域产生双重增强的电场热点。

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科学家们预计,这项新研究将有助于使用红外光谱和其他非线性过程来测量各种频率。材料科学家目前能够开发新的和先进的材料;但是,没有新材料在结构上是相同的。大多数材料的特征在于均匀的微观特性,例如折射率,其中原子的不均匀性小于入射在材料上的平均波长。当材料含有足够的亚波长结构时,有效指数描述了称为超材料的人造建筑材料。早期的超材料包括由几厘米尺度的金属颗粒阵列组成的人造介质,可以像介质一样引导和聚焦无线电波。

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金属纳米粒子阵列的有效介电常数

早期人造介电材料中的金属颗粒非常大,并且它们对无线电波具有高透明度,显示出完美的导体特性。材料科学的新研究目标是使用纳米金属粒子阵列创建有效的可见光和红外光谱介质。随后,金属纳米粒子组装技术的进步可以实现光学领域中光和物质相互作用的前所未有的复杂工程。在目前的研究中,纳米阵列和纳米球(尽管纳米粒子可以具有其他形状)和钌的透明度进行了比较,以证明阵列可以引导和聚焦光。纳米线阵列在横向偏振光的作用下作为有效介质出现;电子上的横向力使表面电荷振荡,模拟真实介质中原子的振荡偶极子。

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圆柱体对横向偏振光的响应类似于块状金属的响应,并且电子在纵向电场的作用下自由移动而不与圆柱体的表面接触。在这项研究中,无论入射极化如何,纳米球阵列都表现得像一种有效的介质。将电子聚焦在任何方向,产生模拟介电振荡偶极子的表面电荷。尽管系统的金属含量高于75%,但与真实介质(如0)相比,此阵列显示出高度的透明度。为了验证该理论的准确性,研究人员使用直径为60纳米的金纳米粒子制作了高度有序的胶体超晶体。将超晶体沉积在钌基底上,并通过UV-Vis-NIR分光光度计表征材料(测试物理性质)。

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透明金属阵列的实验和数值模拟

科学家观察到这种材料具有高度的透明度,证明了实验生产超材料的可行性。使用近场磁场,发现有效介质足够透明,可用作红外辐射的微米尺寸透镜。尽管金属体积为82%,但科学家们观察到,将纯金分解为一系列金纳米胶囊可以产生透明的透镜,可以聚焦光线,就像均匀介质透镜的行为一样。然后,科学家比较了不同类型的金属(铝,银,金和钛)。结果表明,由较长的趋肤深度产生的纳米颗粒阵列是最透明和最不可分散的。研究表明,在固定波长下,粒径与金属表面深度的比率决定了粒子是作为准粒子偶极子还是作为理想导体。除了高透明度,科学家还可以通过控制粒子的大小,形状和空间来调整系统。

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透明度是材料的趋肤深度的函数

例如,通过控制椭圆柱阵列的纵横比,显示出材料各向异性响应是可调的。数值结果表明,系统旋转时有效指数可以变化50%以上。因此,科学家们可以通过固定颗粒位置并调整其大小来调整有效指数。为了突出调整局部有效指数的潜力,使用金色圆柱的三角形指数网格构建梯度折射率(GRIN)透镜并改变圆柱体的直径。使用GRIN透镜,科学家们能够同时将光聚焦在微观尺度,然后在纳米尺度上“挤压”光,从而形成强大的“双增强”电场热点。与等离子体增强不同,这种效应不依赖于损耗共振,显示出宽带和低损耗特性。 GRIN透镜的焦点必须与最近的累积区域重合,以最大化电场的压缩。

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(图示)左侧:金纳米线的有效折射率与纵横比和粒径的函数关系。数字(实线)和Maxwell Garnett混合公式(破折号)

与研究中空气 - 金属界面处连续存在的磁场不同,电场强烈地定位在间隙中。结果,将2μm波长压缩到2nm间隙产生了研究中强烈的高强度热点。以这种方式,使用金属纳米颗粒阵列构建低损耗,有效的介质。科学家已经获得了高度透明的阵列,其透明度超过了珐琅等真实媒体的透明度;他们以低能量辐射的透明度而闻名。还可以局部调节和控制新的超材料颗粒的尺寸,形状和空间。科学家们证明,对于大于2微米的所有波长,有效折射率基本上是恒定的。这项研究将使材料科学家能够设计和设计具有超材料的精密光学元件,这些材料可以在很宽的频率范围内引导或增强光,基本上没有波长上限。

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