寬頻近零等效介電常數(shù)超材料及其在光場(chǎng)調(diào)控中的應(yīng)用（特邀）

孫磊，汪國平

（深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院，廣東深圳518060）

0 引言

電磁超材料（electromagnetic metamaterials）是一類由人造亞波長微結(jié)構(gòu)按照特定空間排布組合而成的人工材料［1，2］。其以異于天然材料的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)在近數(shù)十年間伴隨著納米技術(shù)的發(fā)展逐漸成為物理研究和工程研發(fā)的熱點(diǎn)，在負(fù)折射［3-5］、電磁隱身［6］、光速操控［7］、拓?fù)湎嘧儯?］、信息存儲(chǔ)［9］、全光計(jì)算［10-11］等方面開辟了嶄新的應(yīng)用前景［12-14］。因?yàn)闃?gòu)成電磁超材料的微結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于光波波長，所以電磁超材料在與光場(chǎng)相互作用時(shí)可被視為具有特定等效電磁參量——等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率——的均勻材料。其中，一類具有近零等效介電常數(shù)的電磁超材料，簡稱ENZ 超材料（Epsilon-near-zero Metamaterials）脫穎而出［15-19］。因?yàn)榫哂薪愕刃Ы殡姵?shù)，ENZ 超材料在與電磁場(chǎng)相互作用時(shí)會(huì)使得電磁場(chǎng)中相互耦合的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量分解為相互獨(dú)立的場(chǎng)分量；并將電磁場(chǎng)的時(shí)間參量（頻率）和空間參量（波長）分解為各自獨(dú)立的參量。形象的講，由于ENZ 超材料的近零等效介電常數(shù)使得超材料的等效折射率趨近于零，所以當(dāng)電磁波在ENZ 超材料中傳播時(shí)具有近乎于零的相位變化和趨近于無窮的相速度。因此，ENZ 超材料通過與光場(chǎng)奇特的相互作用實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的光場(chǎng)調(diào)控。基于此特性，ENZ 超材料在電磁隧穿［20-24］、定向電磁輻射［25-28］、邊界電磁效應(yīng)［29-33］、光陷阱［34-37］、非線性光學(xué)［38-41］、光學(xué)非對(duì)易和非局域效應(yīng)［42-45］、光摻雜［46-48］等領(lǐng)域開創(chuàng)了嶄新的研究前景，為光場(chǎng)調(diào)控帶來了全新的手段。

與天然材料類似，ENZ 超材料的近零等效介電常數(shù)源自于光場(chǎng)與材料相互作用之后的等效宏觀效應(yīng)。……