清華電子系李越《科學(xué)》在線合作發(fā)文

 通過“光學(xué)摻雜”實現(xiàn)材料電磁特性調(diào)控

清華新聞網(wǎng)3月15日電 3月10日，清華大學(xué)電子工程系青年教師李越合作在《科學(xué)》（Science）期刊在線發(fā)表題為《近零介電常數(shù)媒質(zhì)的光學(xué)摻雜》（“Photonic doping of epsilon-near-zero media”）的研究論文，在宏觀尺度下將單個介質(zhì)材料摻雜于近零介電常數(shù)的光學(xué)媒質(zhì)中，實現(xiàn)對該媒質(zhì)電磁特性的調(diào)控。該研究揭示了經(jīng)典微觀原子摻雜方法可以拓展到宏觀尺度，為人工電磁材料的制備，以及可重構(gòu)器件和系統(tǒng)的研究提供了一個新的實現(xiàn)方法，在信號處理、通信及傳感等領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用價值。

宏觀摻雜示意圖。

摻雜是微電子科學(xué)中重要的材料制備技術(shù)，對半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展有重要意義。通常，對于摻雜理論的研究集中在微觀尺度，通過在目標材料中摻入少量其他原子，實現(xiàn)目標材料宏觀特性的控制，如介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等。在本研究中，李越與合作者發(fā)現(xiàn)并驗證了經(jīng)典的微觀摻雜理論在宏觀尺度下的實現(xiàn)條件、方法及特性，即在近零介電常數(shù)媒質(zhì)中，摻雜一個或幾個宏觀尺度的“雜質(zhì)”對整體零介電常數(shù)媒質(zhì)電磁特性的調(diào)控，制備“均勻”的具有某種特殊特性的人工電磁材料，例如理想磁導(dǎo)體、近零折射系數(shù)材料等。與現(xiàn)有人工電磁材料采用復(fù)雜周期結(jié)構(gòu)相比，宏觀摻雜方法是在單一非周期材料中實現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單和方便調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。同時，該論文解釋了若干“反常”的摻雜特性，例如目標材料的宏觀摻雜特性與材料形狀無關(guān)，與雜質(zhì)的摻雜位置無關(guān)等，并通過微波波導(dǎo)平臺進行試驗驗證。 

基于微波波導(dǎo)平臺的宏觀摻雜實驗：（a）測試平臺、（b）對比仿真、（c）測試數(shù)據(jù)。

近零介電常數(shù)媒質(zhì)（epsilon-near-zero media）是一種具有特殊電磁特性的材料。在該材料中，電磁波的工作波長（空間相關(guān)量）與工作頻率（時間相關(guān)量）無關(guān)，即任意頻率的電磁波均具有近似無窮大的波長與相速度。基于該理論，任意大尺度的近零介電常數(shù)媒質(zhì)可以等效為經(jīng)典時空中一個無窮小點，物質(zhì)的微觀特性可以拓展到宏觀尺度。

作為論文的共同第一作者，李越完成了宏觀摻雜基礎(chǔ)概念的理論分析、仿真驗證及實驗測試數(shù)據(jù)分析。近年來，李越的主要研究方向是電磁場理論、天線及人工電磁材料，致力于新型微波材料與器件的研究工作。美國賓夕法尼亞大學(xué)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，其他共同第一作者包括美國賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系伊涅格·里博洛（Inigo Liberal）博士和美國大學(xué)開羅分校的阿莫·莫哈默德（Ahmed M. Mahmoud）博士，其他作者包括美國賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系布萊恩·愛德華茲（Brian Edwards）博士。本研究得到國家自然科學(xué)基金（61301001）資助。

論文鏈接：

http://science.sciencemag.org/content/355/6329/1058

供稿：電子系  編輯：華山 徐靜