普渡大学 新开发的弹道光学材料由两种透明材料组成，形成等离子体材料
信用:埃文·西蒙斯和李坤 电子设备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的计算机上访问互联网时
但是啮合光学——依靠称为光子的光粒子——和电子——依靠电子——是具有挑战性的，因为它们的尺度不同
电子的工作范围比光小得多
电子系统和光学系统之间的不匹配意味着每当一个信号从一个系统转换到另一个系统时，低效率就会蔓延到整个系统
现在，一个由普渡大学科学家领导的团队找到了一种方法，利用半导体和物理学中放大电子活动的一个新方面来创造更高效的超材料
这项研究发表在《光学》杂志上
这种新材料有可能大幅提高医学扫描和科学成像的分辨率，并大幅缩小超级计算机的尺寸，创造一个未来，让科学家能够更详细地观察微小事物，让设备更小、更强大
几十年来，科学家们一直致力于将光子缩小到纳米尺度，使它们与电子更加兼容——这是一个被称为纳米电子学的领域
这可以通过使用稀薄的材料和昂贵的生产技术来制造所谓的双曲线材料来实现
使用双曲线材料，科学家可以通过压缩光来缩小光子，使其更容易与电子系统连接
理论物理学家、普渡大学电气和计算机工程教授叶夫根尼·纳里马诺夫解释说:“双曲材料最重要的一点是，它们可以将光压缩到几乎任何尺度
当你能使光变小时，你就解决了光学和电子学之间的脱节问题
然后你就可以制造非常高效的光电
" 问题在于创造这些双曲线材料
它们通常由金属和电介质的交织层组成，并且每个表面必须在原子水平上尽可能光滑和无缺陷，这是困难、耗时和昂贵的
纳里马诺夫认为，解决方案包括半导体
他强调说，不是因为半导体本身有什么特别之处
而是因为科学家和研究人员在过去的70多年里致力于高效生产高质量的半导体
纳里马诺夫想知道他是否能利用这种熟练程度，并将其应用于生产新的和改进的超材料
不幸的是，半导体本身并不能制造出好的光学超材料；他们没有足够的电子
它们可以在相对较低的频率下工作，在中到远红外范围内
但是为了改进成像和传感技术，科学家们需要在可见的近红外光谱中工作的超材料，其波长要比中远红外短得多
纳里马诺夫和他的合作者发现并测试了一种叫做“弹道共振”的光学现象
在这些新的光学材料中，超材料概念与单晶半导体的原子精度相结合，自由(弹道)电子与振荡光场相互作用
当自由电子在薄导电层的范围内反弹时，使光场与自由电子的运动频率同步，形成复合材料，导致电子共振，增强每个电子的反应，并产生在更高频率下工作的超材料
虽然研究人员还不能到达可见光谱的波长，但他们已经到达了60%
纳里马诺夫说:“我们表明有一种物理机制使这成为可能。”
“以前，人们没有意识到这是可以做到的
我们开辟了道路
我们证明了这在理论上是可能的，然后我们在实验中证明了工作频率比现有材料提高了60%
" 纳里马诺夫首先提出了这个想法，然后与德克萨斯大学的李坤、安德鲁·布里格斯、塞斯·班克和丹尼尔·乏色曼，以及马萨诸塞州洛厄尔大学的埃文·西蒙斯和维克多·波多尔斯基合作
德克萨斯大学的研究人员开发了制造技术，而马萨诸塞州的洛厄尔科学家对完整的量子理论做出了贡献，并进行数值模拟，以确保一切都按计划进行
“我们将继续推进这一前沿，”纳里马诺夫说
“即使我们非常成功，也没有人会在一两年内让半导体超材料达到可见和近红外光谱
可能要五年左右
但我们所做的是提供物质平台
光子学的瓶颈在于电子和光子可以在同一长度尺度上相遇的材料，我们已经解决了这个问题
"
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