纳米结构材料将光反向折射，这是创造光子电路的重要一步

诸平

Scanning Electron Microscopy (SEM) image of the nanoscale lattice. Credit: California Institute of Technology

Nano Letters, 2021, 21(21): 9102–9107. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02851.

据美国加州理工学院（California Institute of Technology）2022年1月28日提供的消息，纳米结构材料将光反向折射;这是创造光子电路的重要一步（Nano-architected material refracts light backward; an important step toward creating photonic circuits）。上图是加州理工学院提供的扫描电子显微镜(SEM)图像的纳米尺度点阵。

一种新发明的纳米结构材料展示了一种以前仅在理论上可能实现的特性:无论光线以何种角度射向材料，它都能将光线向后折射。这一特性被称为负折射，它意味着折射率（negative refraction）——光通过特定材料的速度——在电磁波谱的任何角度都是负的。

折射是材料的普遍特性;想象一下，一杯水里的一根吸管似乎被移到了一边，或者眼镜上的镜片聚焦光线的方式。但负折射并不仅仅是将光线向一侧移动几度。相反，光线以与进入材料时完全相反的角度发射。这种现象在自然界中还没有被观察到，但从20世纪60年代开始，人们就认为这种现象会出现在所谓的人工周期性材料中，即具有特定结构模式的材料。直到现在，制造过程才赶上了理论，使负折射成为现实。相关研究结果于2021年10月21日已经在《纳米快报》（Nano Letters）网站发表——Victoria F. Chernow, Ryan C. Ng, Siying Peng, Harry A. Atwater, Julia R. Greer. Dispersion Mapping in 3-Dimensional Core–Shell Photonic Crystal Lattices Capable of Negative Refraction in the Mid-Infrared. Nano Letters, 2021, 21(21): 9102–9107. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c02851. Publication Date:October 21, 2021. https://dx.doi.org/doi:10.1021/acs.nanolett.1c02851

加州理工学院材料科学、力学和医学工程鲁本·F.和唐娜·梅特勒教授（Caltech's Ruben F. and Donna Mettler Professor of Materials Science, Mechanics and Medical Engineering），也是描述这种新材料的上述论文的通讯作者之一茱莉亚·格里尔（Julia R. Greer）说：“负折射对纳米光子学的未来至关重要，纳米光子学试图在尽可能小的尺度上理解和操纵光与材料或固体结构相互作用时的行为。”

这种新材料通过纳米尺度和微尺度组织的结合，以及通过时间和劳动密集型的过程添加一层薄薄的金属锗薄膜，实现了其不同寻常的性能。茱莉亚·格里尔等人是创建这样纳米结构材料或材料的结构设计和组织在纳米范围内的先锋。因其结构因此表现出异常,往往令人惊讶的特性—例如，非常轻的陶瓷，在被压缩后会回复到原来的形状，就像海绵一样。

在电子显微镜下，这种新材料的结构类似于空心立方体的晶格。每个立方体都非常小，组成立方体结构的光束的宽度比人类头发的宽度还小100倍。晶格是用一种聚合物材料构建的，这种材料在3D打印中相对容易使用，然后涂上金属锗。

“这种结构和涂层的结合赋予了晶格这种不同寻常的性质，”瑞安·额（Ryan Ng）说。瑞安·额是上述论文的通讯作者，在茱莉亚·格里尔实验室做研究生（2016届硕士研究生和2020届博士研究生MS’16, Ph.D.’20）时进行了这项研究。他现在是西班牙加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所（Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology in Spain）的博士后研究员。该研究团队通过艰苦的计算机建模过程(以及锗是一种高指数材料的知识)，将立方体晶格结构和材料作为正确的组合。

为了让聚合物在这种尺度上均匀地涂上一层金属，研究团队需要开发一种全新的方法。最后，瑞安·额、茱莉亚·格里尔和他们的同事使用了一种溅射技术（sputtering technique），用高能离子轰击锗盘，将锗原子从盘上轰击到聚合物晶格的表面。瑞安·额说：“要得到一层均匀的涂层并不容易，我们花了很长时间和大量精力来优化这个过程。”该技术在电信、医疗成像、雷达伪装和计算机等领域有潜在的应用前景。

在20世纪60年代中期（1965 observation），加州理工学院的1954届博士（Ph.D.’ 54）校友、加州理工学院董事会（Caltech Board of Trustees）的终身成员戈登·摩尔(Gordon Moore)曾预测，集成电路的复杂程度每两年就会增加一倍，成本也会减半。然而，由于目前硅半导体所允许的功率耗散和晶体管密度的基本限制，摩尔定律（Moore's Law）预测的缩放将很快结束。“我们遵循摩尔定律把电子晶体管做得尽可能小的能力已经接近极限，”瑞安·额说。目前的工作是向展示三维光子电路所需的光学特性迈出的一步。因为光比电子移动得快得多，理论上，3D光子电路比传统电路要快得多。

这项研究由道-雷斯尼克·格兰特（Dow-Resnick Grant）、美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency简称DARPA)和美国能源部(U.S. Department of Energy)科学办公室资助。上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Engineering of the dispersion properties of a photonic crystal (PhC) opens a new paradigm for the design and function of PhC devices. Exploiting the dispersion properties of PhCs allows control over wave propagation within a PhC. We describe the design, fabrication, and experimental observation of photonic bands for 3D PhCs capable of negative refraction in the mid-infrared. Band structure and equifrequency contours were calculated to inform the design of 3D polymer–germanium core–shell PhCs, which were fabricated using two-photon lithography direct laser writing and sputtering. We successfully characterized a polymer–Ge core–shell lattice and mapped its band structure, which we then used to calculate the PhC refraction behavior. An analysis of wave propagation revealed that this 3D core–shell PhC refracts light negatively and possesses an effective negative index of refraction in the experimentally observed region. These results suggest that architected nanolattices have the potential to serve as new optical components and devices across infrared frequencies.