COPYRIGHT©廣州慧正云科技有限公司 www.hzeyun.com 粵ICP備18136962號 增值電信業務經營許可證:粵B2-20201000
慧正資訊：在半導體材料中摻雜雜質原子可以控制材料的電學和光學性能，比如二極管就是基于摻雜原理控制其導電性能。一個物體被施加激勵后可以通過在其中加入雜質來對其響應進行調節，例如工程理想磁導體和超材料近零介質。
受半導體領域摻雜概念的啟發，來自MIT的研究者借助仿真模擬技術，將摻雜技術移植到了光子學領域，該研究證明了二維介電粒子浸沒在二維近零介電介質中可以在保持近零介電常數的基礎上，修正原宿主介質的磁導率。
該團隊從數值和實驗上描述了一組光子材料的類似摻雜效應，并通過仿真模擬驗證了電磁超材料的摻雜性能。成果引起了極高的學術關注度，因此該成果在頂級學術刊物《Science》上發表。這種方法的可被用于增強和控制光子和電磁材料的電磁響應，為光學和電磁超材料的設計和發展開辟了一條新的路徑。
為了控制材料的宏觀參數，將雜質巧妙地摻雜到材料中是半導體工業發展中一個重要的應用。可以說，半導體器件的成功在很大程度上是用少量隨機分布的雜質來設計半導體材料的電學、光學或磁學性能。例如，通過摻雜調整電導率促進了二極管和晶體管的發展，它們是微電子學的基礎。不同的摻雜機制也是許多光學和光電器件的重要手段，例如激光器、發光二極管和太陽能電池等。
原則上，摻雜的概念可以移植到其他的物理領域。在本篇《Science》工作中，摻雜的概念被應用到宏觀光子學和電磁超材料領域中，當以宏觀材料參數（相對介電常數和相對磁導率）為特征的均勻主體填充有摻雜劑時，該摻雜雜質散射內部電磁場，使系統產生不同于原本均勻的有效宏觀參數的系統響應。
在相對介電常數-近零（ENZ）介質中，波長被有效地拉伸，這可以放松對物理上對材料均勻化工藝的要求。MIT團隊正是利用了這一點，并且證明了在ENZ介質中摻雜雜質能夠調節介質的有效磁導率。
圖1：光子摻雜的概念圖。(A)具有任意截面形狀的二維介電常數-近零(ENZ)體，摻雜有若干二維宏觀非磁性介質雜質，圖中激勵采用磁場H沿面外軸偏振的電磁波照射。(注意，該入射波不一定是平面波，即，它可以是來自附近源的波和場。) (B)具有相同截面形狀和近零介電常數但具有均勻有效磁導率的等效均勻二維目標體（遵循等式（1）和（2））。(A)中的組成材料都不是磁性的(其相對磁導率是統一的)，然而(B)中的結構的有效磁導率是可以不同的。
如圖1所示，MIT首先考慮具有任意截面形狀和面積的二維ENZ體，其中含有一種或多種無序的2D雜質，其摻雜特征是關于面積、相對介電常數和磁導率的函數，通過求解相關的邊值問題，MIT發現在一般的2D散射中，ENZ體外部激發的所有場是可控制和測量的。并且具有沿z軸極化的磁場的情形與具有有效相對磁導率和介電常數的均勻ENZ體的情形相同，遵循：
值得注意的是，摻雜劑的存在不會改變主體的有效介電常數。MIT團隊強調，如方程1所定義，方程1所示的有效磁導率和有效介電常數能夠預測具有任意截面的整個摻雜體的響應，以及它們與任意入射場的相互作用。即使ENZ體摻雜在具有多個外部電介質體的復雜環境中，這個結果也成立。因此，對于ENZ宿主來說，摻雜的概念可以外推到宏觀光子學和電磁超材料領域。MIT認為，這一結果為人工電磁材料的設計提供了一條替代途徑。例如，基于等式（1）和（2），可以容易地推斷出ENZ體響應中不同類型的雜質的影響。從公式中還可以看出，即使摻雜劑的尺寸可與工作波長相當或甚至大于工作波長，所提出的理論框架仍然有效，這打開了探索共振摻雜效應的可能性。
研究中摻雜劑呈現出清晰的共振行為：為了說明這一點，圖2描繪了橫截面區域為任意形狀的2D-ENZ的有效磁導率，該2D-ENZ體包含單個2D介質棒雜質。在體外激發的電流與完美磁導體（PMC）體激發的電流相同。這意味著位于摻雜體附近的2D發射器激發的場主要由其反射場決定(圖2C)，使得發射被引導到單個半空間(圖2C，右)。此外，與良好的導電材料相比，PMC體表面上的電場不是零而是最大化的。因此，來自介質的反射也不被抑制，而是增強發射器位置的局部電場，從而加速輻射過程。一般來說，PMC體是非常特殊的，因為它們有不透明的高阻抗表面，這增強了有效發射和完美的波吸收。
圖2：單一雜質的光子摻雜效果圖。(A)(左)散射物體的幾何結構示意圖：任意截面形狀和面積（自由空間波長)的2D-ENZ物體，用相對介電常數10和半徑Rp組成的單根2D雜質光摻雜，并且放置一個具有偶極矩p的2D電線偶極源。如外部觀察者所見，2D物體表現為具有相同形狀的物體，有效參數如圖所示。(B) ENZ體的有效相對磁導率為桿半徑的函數。對于(C)（完美磁導體）和(D)（相對磁導率為0）情況的電場幅度分布。結果表明，用單一雜質控制大尺寸物體的散射特性是可行的。
圖2中提及的數值仿真模擬說明了PMC和EMNZ介質的響應與它們通過光子摻雜后實現的效果有極好的一致性。微小的偏差僅僅由于數值精度所致，因為對于理想材料參數其結果是準確的。
圖3：通過光子摻雜促進EMNZ隧穿的實驗演示。(A)實驗裝置的照片和示意圖。(B)每個腔體中間平面的數值預測磁場快照(z=h/2，其中h是波導高度)。(C)測量三個腔(紅色、藍色和品紅色)的透射系數的大小和相位。W為輸入信號的徑向頻率。
首先，MIT采用全波數值求解器對實驗裝置進行了數值分析。圖3 B表示當被來自一個端口的波照射時，在結構內的中間平面(z=h/2)中數值預測的磁場的快照。無論EMNZ截面的形狀和介質棒的位置如何，EMNZ行為通過諧振傳輸保持，并且幾乎沒有通過結構的相位級數。在所有情況下，盡管結構之間有相對較大的面積和實質性的差異，但所預測的磁場在整個結構中的相位和幅度是均勻的。因此，說明了實驗裝置的綜合數值分析是準確的。
測量的傳輸系數在圖3 C中收集并顯示，并且在所有九次測量中都一致地觀察到傳輸系數幅度的峰值。雖然傳輸峰的頻率定位從規定值偏移了1%，但是它不會隨著棒的位置或截面幾何形狀的變化而移動，從而證明了光子摻雜的位置無關性和幾何不變性。圖3C還包括在沒有傳輸峰值消失的介電桿(黑色實線)的情況下測量的傳輸系數。這證實了由于ENZ隧穿或與腔的形狀有關的任何其他諧振效應，隧穿效應不會發生。從實驗來看，這個結果證明一個大的、任意形狀的ENZ體的有效磁導率和散射特性可以用單個雜質來控制，與它的位置無關。
盡管對用單一或極少的摻雜物能夠控制大物體的宏觀響應有實際應用，但值得注意的物理現象也在超致密摻雜情況下出現，即，當許多小的摻雜物迫使填充因子漸近地接近于1時的情況。在一般宏觀混合物中，當填充因子接近1時，有效參數漸近地接近主相的有效參數。在最極端的概念情況下，可以設想用分形分布填充ENZ體，使得宿主的區域漸近地接近零（但是ENZ區域仍然連接），而不影響其在ENZ頻率下的電磁響應。從實際應用角度來看，這一發現表明在不影響器件在ENZ頻率下的電磁響應的前提下，該成果可以應用到調整工程化器件的機械或熱性能(例如，通過使用多孔材料)。
在超致密摻雜體系中可能出現許多其他現象。例如，如果ENZ宿主是稠密密摻雜的完美導體（PEC）顆粒，有效磁導率將漸近接近零。也就是說，稠密摻雜PEC雜質的ENZ體漸近地接近EMNZ介質的響應。如圖4C通過數值模擬所示， ENZ宿主內PEC摻雜密度較大導致與宿主外部區域可以擁有更好地匹配結果以及較小的場反射和散射。從這個角度出發，早期關于ENZ在窄通道中隧穿的研究可以重新解釋為PEC摻雜的特定實現。事實上，如果我們周期性地布置圖4C所示的結構，從而形成PEC摻雜的平板，那么正常入射的平面波就會以可忽略的反射而穿過它。從實際應用的觀點來看，這個結果可以應用于增強ENZ介質中的非線性。
圖4：超密度光子摻雜效果圖。(A)由沿z軸極化的磁場的平面波照射二維ENZ平板的幾何圖形和數值預測電場幅度分布的示意圖。K為入射波的傳播常數。(B)和（C)與(A)中相同，(C)具有不同形狀和大小的完美導體(PEC)的2D區域。(D)比較原始、空氣摻雜和PEC摻雜的ENZ板的散射功率模式。結果證實（1）用深亞波長2D電介質粒子（甚至許多粒子）摻雜2D-ENZ體對其對外部源的響應的影響可以忽略不計；（2）用任意形狀的PEC區進行重摻雜可減少散射和反射。
總結一下，MIT的理論、仿真模擬和實驗結果表明，二維ENZ體的有效磁導率可以通過摻雜宏觀雜質來調節，宏觀雜質的貢獻是相疊加的，并且與雜質之間的任何相互作用以及它們在宿主內的位置無關。由于雜質的大小、數量、位置以及主體的形狀是任意的，因此這些結果與以往的有效介質和超材料理論完全不同。MIT認為，該成果為設計具有接近零參數的電磁超材料以及它們相關的光子現象提供了新的途徑。這一概念潛在應用領域可包括可重構和靈活的光子學、非線性光學和量子超材料。在這篇研究中，研究人員使用了仿真模擬完成了基礎理論的假設檢驗，理論模型的核算，以及解釋實驗結果與理想理論模型的差異，使整篇論文無論是在理論的正確性還是在實驗數據解讀的準確性上都提升了一個檔次，充分顯現出這一仿真技術在超材料研究領域的重要應用價值。
慧樂居歡迎您關注中國家居產業，與我們一起共同討論產業話題。
投稿報料及媒體合作
E-mail：luning@ibuychem.com
