超材料，是一类人工复合结构或复合材料，因其具有天然材料所不具备的超常物理性质而得名。超材料概念的提出源于电磁学领域，最早可追溯到19世纪末和20世纪初。当时的科学家如Jagadish Chanadra Bose, Karl Ferdinand Lindman试图制备可任意控制电磁波的材料。二战前后，随着天线理论和微波工程的快速发展，人造电磁材料也得到了越来越多的关注。例如人造介质材料被 用于制造轻便小巧的微波天线；人造手相材料被用作微波吸收材料，可以用于战机对探测雷达的隐身；周期性排布的电磁谐振结构具有的频率选择特性，被用作空间电磁滤波器；而具有负折射率的人造电磁材料则被用于制备平面电磁透镜。由于电磁学基本方程，也即麦克斯韦方程组具有尺度不变性，超材料的超常电磁特性理论上可以在从微波到可见光的整个电磁波谱得到验证。然而，对超材料的实验研究，则还依赖对人工电磁结构的制备能力。随着纳米加工技术的快速发展，人们已经能够制备出可见光频段的电磁谐振结构。进而，微波频段超材料的若干超常性质及重要应用，如电磁吸收，空间滤波，电磁透镜等，都可以在光频段实现，也即所谓的"平面光学元件"(Flat Optics)。与传统的分立式光学元件相比，基于光学超材料的平面光学元件的优势在于，可以通过微纳加工的方式与各种器件集成并构成新光电子器件架构。

 

在2016年10月10日，Nature Photonics刊发了美国宾夕法尼亚大学材料系与加州大学圣地亚哥分校纳米工程系科研团队的一项成果——《利用基于等离激元的超材料光学吸收器的机械谐振宽频操控》。他们将具有对近红外光共振吸收特性的超材料集成在机械谐振纳米薄膜中，并将其作为光学谐振腔的一部分，构建了电可调控式片上腔光力学系统(On-chip voltage tunable cavity optomechanical system)。经过特殊设计，该超材料腔光力器件利用光，热，机械效应的互相耦合形成了反馈回路，能够将输入系统的光能高效地转换成机械能，使得薄膜振子振幅放大，甚至形成类似于“声子激光”的相干机械谐振。另一方面，通过电调控，光能在该器件中产生机械阻尼使得薄膜振子自身的热噪声振动被显著抑制，形成类似于激光冷却的效果。此超材料腔光力学器件腔长可以通过直流偏压调节，进而设定其静态光学谐振模式。超材料薄膜以一定的吸收率高效的将入射光转化为热，同时引发双材料薄膜发生应变偏移，进而引起腔长变化与光学谐振模式微变。当红外激光光源从超材料薄膜侧进入光学谐振腔，由于超材料中的表面等离激元共振与光学谐振腔模式发生耦合，超材料的吸收谱线变陡。此时腔长变化所导致的吸收率会随之剧烈变化，产生等效弹性力作用在薄膜振子上。此弹性力大小由吸收谱线斜率大小决定，方向由斜率符号决定。由于此器件的光力效应十分显著，在使用激光光源的条件下，薄膜振子能被轻易地激发到相干谐振状态。根据测算，即使是非相干光源，此器件同样能工作并且展现光力放大或者阻尼效应。单一光源既可作为泵浦光也可作为探测光，而且不受严格相干光源的限制，这些特点降低了该器件系统复杂性和设备成本。由于超材料的吸收谱线和光学谐振腔长度均可设计/调节，该器件具有在各种光源下工作的潜力。作为首创的利用表面等离激元超材料的腔光力集成器件，期待能打开此领域的大门。超材料的设计，制备，以及与环境物理性质的丰富互动，定会激发想象，创造更多的课题方向。

 

论文作者：Ertugrul Cubukcu DOI：10.1038/nphoton.2016.183 期刊：Nature Photonics

论文摘要链接：http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2016.183.html

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