Phys. Rev. Lett.: 清华大学—由电磁耦合超构分子产生的人工非线性

【引言】

光学非线性是一种强光与物质相互作用产生的普遍性的物理效应，已在激光技术、光通讯和光信息技术等颠覆性技术领域发挥了至关重要的作用。然而，由于缺乏描述自然非线性过程的清晰物理图像，非线性光学材料的探索长期处于定性或半定量阶段。实现一种可精确预测和精准设计的人工光学非线性材料，成为一个极具挑战且富有前景的课题。

【成果简介】

近日，来自清华大学的周济教授（通讯作者）等人提出的人工材料基于一个巧妙设计的人工超构分子（metamolecule）内部电场和磁场的耦合打破了材料物理环境的空间对称性，从而实现了人工设计的光学非线性。

该方法得到的光学非线性完全源于人工超构分子，而无需自然光学非线性材料参与，因此可以通过改变人工结构，对所产生的光学非线性进行精确的设计和调控。同时，该人工非线性理论的物理过程明确且清晰，可应用于非常宽的电磁频谱。相关研究结果表明，通过适当的缩放超构分子结构的几何尺寸，在微波到红外波段均可以产生明显的光学非线性。

这一全新的人工理论，使得光学非线性具有了前所未有的设计自由度，将极大的促进新一代光源及光信息技术的快速发展，同时也将促进如非线性光学透镜和非线性全息等新技术的产生和发展。

【图文导读】

图1 由电磁（EM）耦合人工超构分子组成的超材料原理图

（a）阵列原理图

（b）晶胞原理图，蓝色为环氧板，黄色为铜，红色为铋，其中l₁ = 3.4mm，w₁ = 0.45mm，g = 0.1mm，l₂ = 2.3mm，w₂ = 0.5mm，d = 0.1mm，P = 3.6mm

图2 人工超构分子的光谱图和磁场分布图

（a）在从顶部的x偏振平面波的正常照明下，模拟分子的反射，透射和吸收光谱，其中蓝线表示透射光谱，红线表示反射光谱，绿色表示吸收光谱，10GHz处用灰色虚线标记

（b）10GHz处的表面电流和磁场分布，其中红色箭头表示表面电流的取向

图3 y偏振非线性人工超构分子的时域透射光谱及频域光谱

（a）y偏振非线性人工超构分子的原始和高通滤波时域透射光谱，其中蓝色为原始时域透射光谱，橘红色为高通滤波时域透射光谱，根据时域中的y偏振透射光谱，可以通过7V / m的峰值电场的高通滤波来提取20GHz的波

（b）非线性人工超构分子的频域光谱，更明显地表现出SHG（二阶谐波产生效应），其中的小图是两个元原子的频谱

图4 人工超构分子在y偏振中的反射频谱

人工超构分子在y偏振中的反射频谱，其中的小图是其原始和高通滤波的时域光谱，峰值电场为453.1 V / m时，SHG也不同

图5 透射SHG的强度与两个元素之间距离的关系

透射SHG的强度与两个元素之间的距离之间的关系，两个元原子之间的较窄距离将切割线定位在具有较强磁场的区域中，并导致较高的SHG强度，尤其是在小于0.1mm的范围内；其中的小图是具有不同宽度的切割线元素的SHG的强度以及数据点的线性拟合，显示出其他几何影响并且呈现线形宽度的增加，以线性方式提高了SHG的强度

【展望】

该成果理论上展示了一种由两个EM耦合的元原子组成的超构分子产生的纯人造光学非线性的新机制。切线元素中的自由电子与位于SRR（开口环式谐振器）元原子中的磁场相互作用，在磁力下以非调谐方式振荡，产生非线性响应。基于经典电磁学理论，分子的二维非线性的物理过程可以通过数字模拟来明确描述。此外，这种创新机制具有超高的设计自由度。人造非线性的这种纯粹的EM机制，在天然材料中不涉及任何光电子、热、机械或量子过程的参与，为设计非线性光学材料提供了基于超材料的方法，这将带来更多的可能和梦幻般的非线性光学的潜力。

文献链接：Artificial Nonlinearity Generated from Electromagnetic Coupling Metamolecule（Phys. Rev. Lett., 2017, DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.167401）

本文由材料人电子电工学术组徐涛整理编译。

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