“无损”超材料科提升激光效率

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种材料，可以减少光子器件的信号损耗。这种技术进步有望用于提高各种以光为基础的技术的应用效率，包括光纤通信系统、激光和光电器件等。

这一技术使得光子学领域的最大的挑战之一得以解决，即：使得光学损耗最小（光）的被称为等离子体介质设备。

人工电磁材料是材料工程上的在纳米尺度以不寻常的方式进行控制光的一种材料。他们可以用来开发外来设备比如从隐形斗篷到量子计算机。但问题是，他们所用的超材料通常含有金属，从光中吸收能量并将其转换为热量。其结果是，一部分的光信号被浪费，降低了设备的效率。

最近发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，由电气工程学教授Shaya Fainman领导的一个光子学的研究团队，在加州大学圣地亚哥分校进行的研究证明了利用添加可激发光发射的金属材料来弥补这些光损失，即一种光学半导体。

“我们利用这种半导体的增益来抵消了金属的光损失。这样的组合可以实现信号的无损，以及超材料光的零净吸收，”Joseph Smalley说，他是电气工程学的一名博士后学者，目前在在Fainman组进行相关研究，并且是该研究的第一作者。

在他们的实验中，研究人员把光从一个红外激光发射并照射在介质上。他们发现，这取决于光的偏振的平面或方向（上下、左右）所有光波都设置为振动，介质或者反射或发射光。

这是首次与金属和半导体同时存在的一种材料。如果光是偏振的方式之一，超材料的反射光就会像金属一样，当光是偏振的其他方式，超材料的吸收和发射光是不同颜色，就像半导体，” Smalley说。

研究人员创造了这种新的超材料，首先是生长为一种晶体的半导体材料，被称为铟镓砷化物，是在基板上。然后，他们利用等离子体的高能离子蚀刻狭窄的沟槽实现半导体，创建40纳米宽且行半导体间隔为40纳米。最后，他们利用银创建一个交替的条纹图案和银纳米半导体的沟。

“这是以一种独特的方式来制造这种物质，” Smalley说。不同层的纳米结构通常是由每一层分别沉积在另一层之上，“就像一叠纸在桌子上，” Smalley解释说。但在这项研究中使用的半导体材料（铟镓砷化物）不能在任何衬底上生长（如银），否则会有缺陷。“不能创建一个堆栈交替层，我们想出了一种方式来安排材料并排，像文件夹在文件柜，保持半导体材料的自由缺陷。”

下一步，研究小组计划调查有多少这种超材料和其他的版本可以提高光子应用，用以解决目前所存在的信号的损失。

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