清華材料學(xué)院周濟(jì)等在人工非線(xiàn)性光學(xué)材料方面研究取得突破

清華新聞網(wǎng)4月18日電 4月17日，清華大學(xué)材料學(xué)院周濟(jì)教授課題組在物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表題為“由電磁耦合超構(gòu)分子產(chǎn)生的人工非線(xiàn)性”（Artificial Nonlinearity Generated from Electromagnetic Coupling Meta-molecule）的研究成果。該成果基于經(jīng)典電磁學(xué)理論，利用超構(gòu)材料思想，提出了一種全新的人工光學(xué)非線(xiàn)性材料。

圖為（a）非線(xiàn)性超分子陣列結(jié)構(gòu)示意圖（b）單個(gè)非線(xiàn)性超分子結(jié)構(gòu)示意圖。

光學(xué)非線(xiàn)性是一種強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的普遍性的物理效應(yīng)，已在激光技術(shù)、光通訊和光信息技術(shù)等顛覆性技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。然而，由于缺乏描述自然非線(xiàn)性過(guò)程的清晰物理圖像，非線(xiàn)性光學(xué)材料的探索長(zhǎng)期處于定性或半定量階段。實(shí)現(xiàn)一種可精確預(yù)測(cè)和精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的人工光學(xué)非線(xiàn)性材料，成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)且富有前景的課題。

圖為諧振態(tài)下非線(xiàn)性超分子的磁場(chǎng)分布。

本研究成果中提出的人工材料基于一個(gè)巧妙設(shè)計(jì)的人工超構(gòu)分子（metamolecule）內(nèi)部電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合，打破了材料物理環(huán)境的空間對(duì)稱(chēng)性，從而實(shí)現(xiàn)了人工設(shè)計(jì)的光學(xué)非線(xiàn)性。其非線(xiàn)性完全源于人工超構(gòu)分子，而無(wú)需自然光學(xué)非線(xiàn)性材料參與，因此可以通過(guò)改變?nèi)斯そY(jié)構(gòu)，對(duì)所產(chǎn)生的光學(xué)非線(xiàn)性進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)和調(diào)控。同時(shí)，該人工非線(xiàn)性理論的物理過(guò)程明確且清晰，可應(yīng)用于非常寬的電磁頻譜。相關(guān)研究結(jié)果表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)目s放超構(gòu)分子結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，在微波到紅外波段均可以產(chǎn)生明顯的光學(xué)非線(xiàn)性。這一全新的人工理論，使得光學(xué)非線(xiàn)性具有了前所未有的設(shè)計(jì)自由度，將極大的促進(jìn)新一代光源及光信息技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)也將促進(jìn)如非線(xiàn)性光學(xué)透鏡和非線(xiàn)性全息等新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。

圖為（a）非線(xiàn)性超分子的透射電場(chǎng)時(shí)域譜；（b）透射電場(chǎng)頻域譜。嵌入圖：兩個(gè)非耦合的超原子仿真頻域透射譜。

該論文的通訊作者為清華大學(xué)材料學(xué)院周濟(jì)教授，第一作者為材料學(xué)院博士后文永正。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.167401

供稿：材料學(xué)院  編輯：田心