作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 说明金属、电介质和有效电介质对缓慢变化的电场的响应
在每个系统中，外加电场与表面电荷积累产生的感应电场相反
在金属中，电子可以自由移动，直到外加场和感应场在整体上相互抵消
在电介质(b)和有效电介质(c)中，表面电荷是由(间)原子或(间)分子的极化产生的，感应场比外加场弱
学分:自然传播，doi: 10
1038/s 14467-019-09939-8 在材料科学中，消色差光学元件可以设计成具有高透明度和低色散
材料科学家已经表明，尽管金属是高度不透明的，但密集排列的金属纳米颗粒阵列(体积百分比超过75%的金属)对红外辐射的透明度可能会高于锗等电介质
这种阵列可以形成有效的电介质，在超宽带波长范围内几乎没有色散，从而设计出各种基于超材料的下一代光学器件
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，从而设计出梯度折射率透镜，在微米尺度上引导和聚焦光线
电场可以强烈地集中在金属纳米颗粒之间的间隙中，用于同时聚焦和“挤压”介电场，以产生强的、双重增强的热点
科学家可以利用这些热点来促进使用红外光谱和其他非线性过程在宽频率范围内进行的测量
在最近发表在《自然通讯》上的一项研究中，塞缪尔·J
帕尔默和美国物理、数学和纳米技术系的一个跨学科研究小组
K
西班牙和德国的研究表明，人造电介质对红外辐射保持高度透明，即使粒子是纳米级的，也能观察到这一结果
他们证明了电场穿透粒子(使它们不完全导电)，使它们之间发生紧密排列的强相互作用
这一结果将使材料科学家能够设计出中红外波长范围内的消色差光学元件
帕尔默和他的同事能够通过改变纳米粒子的大小、形状和间距来调整这些成分的局部折射率，并对周围环境的局部折射率敏感
科学家们增强了阵列中金属纳米粒子之间间隙的电场，同时利用它们的透明性、可调谐性和高金属填充率来设计梯度折射率透镜
这项工作将光聚焦在微米尺度上，并在纳米尺度上压缩电场，从而在整个红外区域产生双重增强的电场热点
科学家们设想，这项新工作将促进使用红外光谱和其他非线性过程在宽频率范围内进行的测量
金属纳米粒子阵列的有效介电常数
钛纳米圆柱阵列的有效介电常数(直径d = 38纳米，表面到表面间距G = 2纳米)，与固体钛的介电常数相比，TE(红色曲线)和TM(蓝色曲线)偏振光的有效介电常数(虚线)
对于非偏振光，钛纳米球的有效介电常数(d = 20纳米，G = 2纳米)
纳米粒子阵列的有效穿透长度可以超过真正的电介质，例如锗，即使金属填充分数高达75%
学分:自然传播，doi: 10
1038/s 14467-019-09939-8 材料科学家目前能够开发新的和先进的材料；然而，没有一种新材料的构成是真正同质的
然而，大多数材料可以使用均匀的微观特性来表征，例如折射率，其中原子不均匀性小于入射到材料上的光的平均波长
人工构建的材料被称为超材料，当材料包含足够的亚波长结构时，用有效指数来描述
早期的超材料包括人造电介质，由厘米级的金属粒子阵列组成，能够像电介质一样引导和聚焦无线电波
早期人工介电材料的金属颗粒非常大，它们表现得像完美的导体，对无线电波具有很高的透明度
材料科学的最新研究旨在利用纳米尺度的金属粒子阵列为可见和红外光谱构建有效的电介质
金属纳米粒子组装技术的进步使得光学领域前所未有的光-物质相互作用的复杂工程成为可能
在目前的工作中，帕尔默等人
将纳米圆柱阵列和纳米球(尽管纳米粒子可以有其他形状)的透明度与锗进行对比，以证明阵列可以引导和聚焦光
纳米圆柱阵列在横向极化光作用下表现为有效的电介质；其中电子上的横向力导致模拟真实电介质中原子振荡偶极子的振荡表面电荷
相反，圆柱体对横向磁偏振光的响应类似于大块金属，因为电子在纵向电场的作用下可以自由移动，而不会碰到圆柱体表面
研究中的纳米球阵列表现为有效的电介质，不管入射极化如何——将电子聚焦在任何方向，产生模拟电介质振荡偶极子的表面电荷
与锗等真正的电介质相比，这种阵列显示出很高的透明度——即使系统中的金属含量高于75%
透明金属阵列的实验和数值演示
沉积在阿格基底上的直径为60纳米的胶体金超晶体的显微图像
金属颗粒显示出高红外透明度
(c–e)有效电介质对于波长λ0 = 2微米的红外辐射足够透明，可以作为微米级透镜，如磁性近场所示
在(d)直径为38纳米且表面间间隙为2纳米的钛圆柱体的完整几何形状和(e)均匀化几何形状(neff = 3)之间有很好的一致性
2 + 0
5i
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1038/s 14467-019-09939-8 为了测试提出的理论的准确性，帕尔默等人
使用直径为60纳米的金纳米粒子产生高度有序的胶体超晶体
他们将超晶体沉积在锗衬底上，并用紫外-可见-近红外分光光度计对材料进行表征(测试物理性能)
科学家们观察到了材料出色的透明性，证明了实验制造超材料的可行性
利用磁性近场，他们表明有效的电介质足够透明，可以充当微米级的红外辐射透镜
尽管按体积计含有82%的金属，但科学家们观察到，将固体金分解成金纳米圆柱阵列，产生了一种能够聚焦光线的透明透镜，与同质电介质透镜的行为非常相似
透明度是材料表皮深度的函数
由铝、金、银和钛组成的纳米圆柱方形阵列的有效折射率
插图:每种金属的趋肤深度，使用洛伦兹-德介电常数模型计算
在固定波长下，决定粒子行为的是准静态偶极子还是理想导体的是粒子直径与金属趋肤深度之比
d ≲ δs的有效指数非常恒定
学分:自然传播，doi: 10
1038/s 14467-019-09939-8 然后，科学家们比较了不同类型的金属(铝、银、金和钛)，以表明具有更长表皮深度的材料产生了最透明和最不分散的纳米粒子阵列
Palmer等人
表明在固定波长下，粒子直径与金属趋肤深度的比值决定了粒子的行为是准粒子偶极子还是理想导体
除了高透明度，科学家们还可以通过控制粒子的大小、形状和空间来调整系统
例如，帕尔默等人
控制椭圆柱阵列的纵横比，以显示材料的各向异性响应可以调整
数值结果表明，当系统旋转时，有效折射率可以很容易地调整到变化50%以上
因此，科学家能够通过固定粒子位置和调整它们的大小来调整有效指数
左:金纳米圆柱的有效指数是纵横比和颗粒尺寸的函数
数字(实线)和麦克斯韦·加内特混合公式(虚线)
正方形圆柱阵列的长宽比是变化的，同时保持每个圆柱的体积和表面到表面的间距不变，如插图所示
圆柱体的未畸变直径为d = 30纳米，入射波长为λ0 = 200微米
(b)圆柱体放置在长度为50纳米的三角形网格上，对于λ0 = 2微米的入射波长，其直径从0纳米≤ d ≤ 48纳米变化
右图:设计一个具有“双增强”热点的梯度折射率透镜
“聚光器”梯度折射率透镜的示意图，该透镜由三角形晶格上的金纳米圆柱组成，具有50纳米的位置间距
聚光透镜的有效折射率分布，理想(虚线)和已实现(实线)
使用有效几何和完整几何计算的磁性近场都证实平面波聚焦到透镜的原点
在透镜的焦点内，电场的组合聚焦和挤压产生“双重增强”的热点
学分:自然传播，doi: 10
1038/s 14467-019-09939-8 为了突出这种调整局部有效指数的潜力，帕尔默等人
然后利用金圆柱的三角晶格构造梯度折射率透镜，并随位置改变圆柱的直径
使用梯度折射率透镜，科学家们能够同时将光聚焦在微米尺度上，然后在纳米尺度上“挤压”光，产生强烈的“双重增强”电场热点
与等离子体增强不同，这种效应不依赖于有损共振，表现出宽带和低损耗特性
他们表明，梯度折射率透镜的焦点必须与最紧密堆积的区域重合，以最大限度地压缩电场
与研究中空气-金属界面上连续的磁场不同，电场强烈地局限在间隙中
因此，将2米的波长压缩到2纳米的间隙中，在研究中产生了高强度的强热点
就这样，帕尔默等人
由金属纳米粒子阵列构成的低损耗有效电介质
科学家们获得了高度透明的阵列，其透明度超过了真正的电介质，如锗；以其对低能辐射的透明性而闻名
他们还能够局部调整和控制形成新超材料的粒子的大小、形状和空间
科学家们表明，对于大于2米的所有波长，有效指数基本上是恒定的
这项工作将使材料科学家能够设计和制造复杂的光学器件，这些器件采用超材料，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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