介電常數(shù)近零材料中的光與物質(zhì)相互作用（特邀）

王衡，李貴新，梅霆

（1 西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710129）

（2 南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系，廣東深圳 518055）

0 引言

材料的折射率決定了光在其中傳播的基本規(guī)律。在眾多新型光學(xué)材料中，零折射率材料備受關(guān)注［1］。英國科學(xué)家PENDRY J B 等在1996 年通過調(diào)控金屬線的占空比，使人工結(jié)構(gòu)材料的等效等離激元共振頻率發(fā)生紅移，從而實現(xiàn)了對等效介電常數(shù)從負到正的連續(xù)調(diào)控［2］。另一方面，通過設(shè)計金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)可實現(xiàn)負的磁導(dǎo)率［3］。如果介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負值，可實現(xiàn)負折射率材料［4，5］。此外，人們基于金屬-介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計并制備了在可見光波段工作的零折射率材料［6，7］。由于金屬共振結(jié)構(gòu)具有較高的光學(xué)損耗，會限制這類人工結(jié)構(gòu)材料的實際應(yīng)用。因此，人們也探索了如何使用低損耗的全介質(zhì)材料實現(xiàn)零折射率現(xiàn)象。2011 年，香港科技大學(xué)的CHAN C T 等設(shè)計了具有狄拉克錐型色散特性的光子晶體結(jié)構(gòu)，從而使材料表現(xiàn)出零折射率響應(yīng)［8］。通過優(yōu)化其共振單元結(jié)構(gòu)，可進一步實現(xiàn)低損耗的折射率近零材料［9，10］。然而，這些零折射率材料都是人工結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，其宏觀折射率為零，但在微觀尺度下折射率不為零，如果使用這些材料制造的器件的局域特征與其微結(jié)構(gòu)尺寸相當，其零折射率特性則難以保證［11］。

光學(xué)材料的折射率可由相對介電常數(shù)εr和相對磁導(dǎo)率μr得出。零折射率材料要求介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為零，但在光頻段絕大部分材料都是非磁性的，其相對磁導(dǎo)率μr≈1。……