双曲超材料和超表面的基础及应用

光学超材料作为一种新兴的人工材料,在控制光的流动方面有着无限的可能性,正被大量应用于新兴的光学领域。原则上,光学超材料是在亚波长尺度上设计的电磁结构,其光学特性在其本构材料中无法观察到,在自然界中也并未被发现,例如负折射率。自本世纪初以来,随着纳米制造技术和表征技术的发展,光学超材料越来越受到人们的关注。在目前提出和证明的各种类型的光学超材料中,有一类高度各向异性的超材料呈现双曲型色散,导致光的传播行为发生了巨大的变化。与其他光学超材料相比,这种双曲型超材料具有相对容易加工、宽带非共振、三维块体响应以及灵活的波长可调谐等优点。因此,双曲超材料引起了广泛的兴趣,并成为一个良好的多功能平台,用于许多奇异的应用。

近日,南京大学现代工程与应用科学学院徐挺教授及其研究团队在Advanced Optical Materials上发表了题为“Hyperbolic Metamaterials and Metasurfaces:Fundamentals and Applications”的综述文章,对双曲超材料和双曲超表面的实现手段和各种光学应用进行了详尽的概述。本文首先深入探讨了双曲超材料和双曲超表面的色散机理,接着从不同频段的角度对天然双曲材料和人工构筑的双曲材料进行了归纳,并对他们各自的优势及缺点进行简单说明。其次,综述了基于三维块体双曲超材料和二维双曲超表面的各种光学应用的最新进展,包括光束操作、超分辨成像、高分辨光刻、光学吸收、传感以及增强自发辐射等。需要强调的是,虽然三维和二维的一些应用场景是相似的,但实际上它们并不完全等价,因为随着维数的降低,表面波会引入额外的约束,这伴随着平面内的奇异性现象的产生。最后,本文概述了该领域的一些限制及挑战,并为未来的工作提供了一套方向。目前双曲介质仍然是一个活跃和不断发展的研究领域,其所支持的潜在应用还没有得到充分的开发,例如热传导和热发射工程、超普朗克热辐射及PT对称的双曲系统等。因此,基于该综述的归纳和阐述,作者希望能为从事双曲超材料及超表面相关领域的工作者提供有价值的指导,从而进一步促进其在纳米光子学及光电子学中的广泛应用。相关文章论文发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801616)上。