清華新聞網(wǎng)10月15日電  10月11日，清華大學電子工程系李越副教授在《科學·進展》（Science Advances）發(fā)表了標題為《面向近零介電常數(shù)和表面等離子體基元的基于結(jié)構(gòu)色散的損耗降低方法》（Structural dispersion–based reduction of loss in epsilon-near-zero and surface plasmon polariton waves）的研究論文，針對與等離子體材料內(nèi)電磁波的傳播損耗問題，提出基于波導結(jié)構(gòu)的降低方法，增加等離子體材料內(nèi)電磁波的傳播距離，為低損耗等離子體相關(guān)技術(shù)提供可行方案。

　　等離子體學（Plasmonics）在過去的十年里內(nèi)發(fā)展迅速，是一類在光學頻段以亞波長的尺度操縱和調(diào)控電磁場的學科，呈現(xiàn)獨特的光與物質(zhì)相互作用，在光學頻段實現(xiàn)亞波長或深亞波長器件與電路。但是，等離子體內(nèi)電磁波的傳播嚴重受限于等離子體材料（如金、銀等金屬）的內(nèi)在損耗，限制了等離子體材料在光學系統(tǒng)和器件中的實際應(yīng)用。當前的研究主要集中在材料領(lǐng)域，尋找各種具有低損耗特性的等離子材料，例如銦錫氧化物、碳化硅等，仍然無法滿足實現(xiàn)需要。

　　圖1. 等離子體材料內(nèi)電磁波傳播損耗降低方法：（A）波導加載結(jié)構(gòu)，（B）損耗調(diào)控機理 

　　本工作從另外一個角度研究降低電磁波在等離子體材料中的傳播損耗，即采用外加電磁結(jié)構(gòu)增加電磁波的傳播距離。在本論文中，利用波導的結(jié)構(gòu)色散特性調(diào)控等離子體本身的材料色散特性，將等離子體的有效工作頻段從高損耗區(qū)間移動至低損耗區(qū)間，實現(xiàn)了體內(nèi)電磁波傳播損耗的減少。本論文研究了兩種典型的等離子體材料傳播例子，一是電磁波在均勻近零介電常數(shù)（Epsilon-near-zero, ENZ）材料中的傳播；二是表面等離子體基元（Surface Plasmon Polariton, SPP）的傳播。從兩個例子中，均觀察到通過增加波導結(jié)構(gòu)，電磁波在等離子體材料內(nèi)的傳播距離有明顯提升，有效地控制了傳播損耗。本工作提供了一種基于結(jié)構(gòu)的等離子體損耗調(diào)控技術(shù)，在未來低損耗等離子體器件與系統(tǒng)的研究有潛在應(yīng)用價值。

　　圖2. 基于結(jié)構(gòu)色散特性，增加電磁波在等離子內(nèi)的傳播距離 

　　本論文的相關(guān)工作均在清華大學完成，清華大學電子工程系為論文的第一單位。李越副教授為文章的第一作者，美國賓夕法尼亞大學電氣與系統(tǒng)工程系納德·恩赫塔（Nader Engheta）教授為本文通信作者，其他作者包括西班牙納瓦雷公立大學的伊涅格·里博洛（Inigo Liberal）博士。本研究得到國家自然科學基金（61771280）資助。

　　論文連接： 

　　https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaav3764