清華大學(xué)電子系李越發(fā)文報(bào)道通過(guò)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)降低等離子體內(nèi)電磁波的傳播損耗

清華新聞網(wǎng)10月15日電  10月11日，清華大學(xué)電子工程系李越副教授在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）發(fā)表了標(biāo)題為《面向近零介電常數(shù)和表面等離子體基元的基于結(jié)構(gòu)色散的損耗降低方法》（Structural dispersion–based reduction of loss in epsilon-near-zero and surface plasmon polariton waves）的研究論文，針對(duì)與等離子體材料內(nèi)電磁波的傳播損耗問(wèn)題，提出基于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的降低方法，增加等離子體材料內(nèi)電磁波的傳播距離，為低損耗等離子體相關(guān)技術(shù)提供可行方案。

等離子體學(xué)（Plasmonics）在過(guò)去的十年里內(nèi)發(fā)展迅速，是一類(lèi)在光學(xué)頻段以亞波長(zhǎng)的尺度操縱和調(diào)控電磁場(chǎng)的學(xué)科，呈現(xiàn)獨(dú)特的光與物質(zhì)相互作用，在光學(xué)頻段實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)或深亞波長(zhǎng)器件與電路。但是，等離子體內(nèi)電磁波的傳播嚴(yán)重受限于等離子體材料（如金、銀等金屬）的內(nèi)在損耗，限制了等離子體材料在光學(xué)系統(tǒng)和器件中的實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前的研究主要集中在材料領(lǐng)域，尋找各種具有低損耗特性的等離子材料，例如銦錫氧化物、碳化硅等，仍然無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)需要。 

圖1. 等離子體材料內(nèi)電磁波傳播損耗降低方法：（A）波導(dǎo)加載結(jié)構(gòu)，（B）損耗調(diào)控機(jī)理

本工作從另外一個(gè)角度研究降低電磁波在等離子體材料中的傳播損耗，即采用外加電磁結(jié)構(gòu)增加電磁波的傳播距離。在本論文中，利用波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)色散特性調(diào)控等離子體本身的材料色散特性，將等離子體的有效工作頻段從高損耗區(qū)間移動(dòng)至低損耗區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了體內(nèi)電磁波傳播損耗的減少。本論文研究了兩種典型的等離子體材料傳播例子，一是電磁波在均勻近零介電常數(shù)（Epsilon-near-zero, ENZ）材料中的傳播；二是表面等離子體基元（Surface Plasmon Polariton, SPP）的傳播。從兩個(gè)例子中，均觀(guān)察到通過(guò)增加波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，電磁波在等離子體材料內(nèi)的傳播距離有明顯提升，有效地控制了傳播損耗。本工作提供了一種基于結(jié)構(gòu)的等離子體損耗調(diào)控技術(shù)，在未來(lái)低損耗等離子體器件與系統(tǒng)的研究有潛在應(yīng)用價(jià)值。 

圖2. 基于結(jié)構(gòu)色散特性，增加電磁波在等離子內(nèi)的傳播距離

本論文的相關(guān)工作均在清華大學(xué)完成，清華大學(xué)電子工程系為論文的第一單位。李越副教授為文章的第一作者，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系納德·恩赫塔（Nader Engheta）教授為本文通信作者，其他作者包括西班牙納瓦雷公立大學(xué)的伊涅格·里博洛（Inigo Liberal）博士。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（61771280）資助。

論文連接：

https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaav3764

供稿：電子系

編輯：李華山

審核：周襄楠