电子工程系

Department of Electronic Engineering

清华大学电子系李越在《科学·进展》发文报道通过波导结构降低等离子体内电磁波的传播损耗

10月11日,清华大学电子工程系李越副教授在《科学·进展》(Science Advances)发表了标题为《面向近零介电常数和表面等离子体基元的基于结构色散的损耗降低方法》(Structural dispersion–based reduction of loss in epsilon-near-zero and surface plasmon polariton waves)的研究论文,针对与等离子体材料内电磁波的传播损耗问题,提出基于波导结构的降低方法,增加等离子体材料内电磁波的传播距离,为低损耗等离子体相关技术提供可行方案。

等离子体学(Plasmonics)在过去的十年里内发展迅速,是一类在光学频段以亚波长的尺度操纵和调控电磁场的学科,呈现独特的光与物质相互作用,在光学频段实现亚波长或深亚波长器件与电路。但是,等离子体内电磁波的传播严重受限于等离子体材料(如金、银等金属)的内在损耗,限制了等离子体材料在光学系统和器件中的实际应用。当前的研究主要集中在材料领域,寻找各种具有低损耗特性的等离子材料,例如铟锡氧化物、碳化硅等,仍然无法满足实现需要。

图1等离子体材料内电磁波传播损耗降低方法:(A)波导加载结构,(B)损耗调控机理

本工作从另外一个角度研究降低电磁波在等离子体材料中的传播损耗,即采用外加电磁结构增加电磁波的传播距离。在本论文中,利用波导的结构色散特性调控等离子体本身的材料色散特性,将等离子体的有效工作频段从高损耗区间移动至低损耗区间,实现了体内电磁波传播损耗的减少。本论文研究了两种典型的等离子体材料传播例子,一是电磁波在均匀近零介电常数(Epsilon-near-zero, ENZ)材料中的传播;二是表面等离子体基元(Surface Plasmon Polariton, SPP)的传播。从两个例子中,均观察到通过增加波导结构,电磁波在等离子体材料内的传播距离有明显提升,有效地控制了传播损耗。本工作提供了一种基于结构的等离子体损耗调控技术,在未来低损耗等离子体器件与系统的研究有潜在应用价值。

图2 基于结构色散特性,增加电磁波在等离子内的传播距离

本论文的相关工作均在清华大学完成,清华大学电子工程系为论文的第一单位。李越副教授为文章的第一作者,美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德·恩赫塔(Nader Engheta)教授为本文通信作者,其他作者包括西班牙纳瓦雷公立大学的伊涅格·里博洛(Inigo Liberal)博士。本研究得到国家自然科学基金(61771280)资助。

论文连接:https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaav3764