清華電子系李越《科學(xué)》在線(xiàn)合作發(fā)文

 通過(guò)“光學(xué)摻雜”實(shí)現(xiàn)材料電磁特性調(diào)控

清華新聞網(wǎng)3月15日電 3月10日，清華大學(xué)電子工程系青年教師李越合作在《科學(xué)》（Science）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為《近零介電常數(shù)媒質(zhì)的光學(xué)摻雜》（“Photonic doping of epsilon-near-zero media”）的研究論文，在宏觀(guān)尺度下將單個(gè)介質(zhì)材料摻雜于近零介電常數(shù)的光學(xué)媒質(zhì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)該媒質(zhì)電磁特性的調(diào)控。該研究揭示了經(jīng)典微觀(guān)原子摻雜方法可以拓展到宏觀(guān)尺度，為人工電磁材料的制備，以及可重構(gòu)器件和系統(tǒng)的研究提供了一個(gè)新的實(shí)現(xiàn)方法，在信號(hào)處理、通信及傳感等領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用價(jià)值。

宏觀(guān)摻雜示意圖。

摻雜是微電子科學(xué)中重要的材料制備技術(shù)，對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展有重要意義。通常，對(duì)于摻雜理論的研究集中在微觀(guān)尺度，通過(guò)在目標(biāo)材料中摻入少量其他原子，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料宏觀(guān)特性的控制，如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等。在本研究中，李越與合作者發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了經(jīng)典的微觀(guān)摻雜理論在宏觀(guān)尺度下的實(shí)現(xiàn)條件、方法及特性，即在近零介電常數(shù)媒質(zhì)中，摻雜一個(gè)或幾個(gè)宏觀(guān)尺度的“雜質(zhì)”對(duì)整體零介電常數(shù)媒質(zhì)電磁特性的調(diào)控，制備“均勻”的具有某種特殊特性的人工電磁材料，例如理想磁導(dǎo)體、近零折射系數(shù)材料等。與現(xiàn)有人工電磁材料采用復(fù)雜周期結(jié)構(gòu)相比，宏觀(guān)摻雜方法是在單一非周期材料中實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和方便調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該論文解釋了若干“反常”的摻雜特性，例如目標(biāo)材料的宏觀(guān)摻雜特性與材料形狀無(wú)關(guān)，與雜質(zhì)的摻雜位置無(wú)關(guān)等，并通過(guò)微波波導(dǎo)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 

基于微波波導(dǎo)平臺(tái)的宏觀(guān)摻雜實(shí)驗(yàn)：（a）測(cè)試平臺(tái)、（b）對(duì)比仿真、（c）測(cè)試數(shù)據(jù)。

近零介電常數(shù)媒質(zhì)（epsilon-near-zero media）是一種具有特殊電磁特性的材料。在該材料中，電磁波的工作波長(zhǎng)（空間相關(guān)量）與工作頻率（時(shí)間相關(guān)量）無(wú)關(guān)，即任意頻率的電磁波均具有近似無(wú)窮大的波長(zhǎng)與相速度?；谠摾碚?，任意大尺度的近零介電常數(shù)媒質(zhì)可以等效為經(jīng)典時(shí)空中一個(gè)無(wú)窮小點(diǎn)，物質(zhì)的微觀(guān)特性可以拓展到宏觀(guān)尺度。

作為論文的共同第一作者，李越完成了宏觀(guān)摻雜基礎(chǔ)概念的理論分析、仿真驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析。近年來(lái)，李越的主要研究方向是電磁場(chǎng)理論、天線(xiàn)及人工電磁材料，致力于新型微波材料與器件的研究工作。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，其他共同第一作者包括美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系伊涅格·里博洛（Inigo Liberal）博士和美國(guó)大學(xué)開(kāi)羅分校的阿莫·莫哈默德（Ahmed M. Mahmoud）博士，其他作者包括美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系布萊恩·愛(ài)德華茲（Brian Edwards）博士。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（61301001）資助。

論文鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/355/6329/1058

供稿：電子系  編輯：華山 徐靜