新型垂直双曲超材料助力纳米光学产业发展
2021-11-20 16:23:23 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
由韩国浦项科技大学Junsuk Rho教授和Hanlyun Cho博士研究生领导的科研团队开发了一种基于垂直双曲超材料的超级镜头，首次在整个可见光谱中呈现出负折射现象。通过使用双曲超材料可以实现天然材料中不存在的负折射。
冠状病毒是什么颜色？传统的光学显微镜无法生成病毒和细菌的高分辨率彩色图像。更昂贵的设备能够以更真实的方式观察它们，但是后处理通常需要很长时间，并且只能生成黑白图像。
据麦姆斯咨询报道，由韩国浦项科技大学（Pohang University of Science and Technology，POSTECH）Junsuk Rho教授和Hanlyun Cho博士研究生领导的科研团队开发了一种基于垂直双曲超材料的超级镜头，首次在整个可见光谱中呈现出负折射现象。通过使用双曲超材料（一种可以自由控制光线的材料）可以实现天然材料中不存在的负折射。
超材料的负折射现象（可见光的三原色）
当整个可见光谱中出现负折射时，可以生成超出衍射极限的高分辨率图像。因此，通过基于双曲超材料的超级镜头可以观察到病毒和细菌的原始颜色，而不仅仅只有黑色和白色。
然而，当使用由金属和介电材料交替堆叠构建的水平双曲超材料时，负折射只能在窄带宽内实现。理论上，通过垂直双曲超材料可以在较宽的带宽内产生负折射，但由于其制造工艺困难，这一点从未得到证实。
为此，韩国浦项科技大学的科研团队研究了双曲超材料的性能与可能出现负折射的最大层厚度之间的关系，并设计了一种可以用传统纳米加工设备制造的双曲超材料。
垂直双曲超材料（vHMM）
垂直双曲超材料（vHMM）特性
研究人员通过实验证实，新开发的超材料在450~550 nm的波长范围内呈现负折射。理论上，垂直双曲超材料可以在整个可见光谱中实现宽带负折射。然而，实现这一目标的材料和技术存在局限性，因此该研究使用了100 nm带宽。
该项研究提出了设计和制造垂直双曲超材料的方法，这表明有望在未来设计和制造具有宽带负折射的超材料。这些超材料也适用于超宽带超高分辨率薄膜镜头、超高分辨率全彩光学显微镜等。自1968年俄罗斯数学家Victor Veselago用数学方法预测负折射以来，该研究首次在整个可见光谱中观察到了负折射现象。
垂直双曲超材料（vHMM）制造方法
“通过在这项研究中对垂直双曲超材料的实验验证，我们证实了改善窄带宽（传统水平双曲超材料的最大缺点）的可能性。”领导这项研究的Rho教授说，“该研究具有重要意义，其显示出纳米光学产业化的巨大潜力，例如生成病毒和细菌的精确图像。”
垂直双曲超材料（vHMM）的负折射现象
这项研究成果最近发表在Nanophotonics上（“Experimental demonstration of broadband negative refraction at visible frequencies by critical layer thickness analysis in a vertical hyperbolic metamaterial”）。根据期刊引证报告（Journal Citation Report，JCR），Nanophotonics是光学领域排名前10%的著名期刊。这项研究得到了韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）的Mid-Career Researcher Program的支持。
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