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具有形态无序和表面粗糙度的自组装等离子体超材料的光学响应鲁棒性
摘要： 自下而上制备金属化生物模板纳米结构以形成特定等离子体纳米谐振器，有望成为实现大规模光学超材料的方法。然而与自上而下方法不同，自组装纳米谐振器的随机生长易产生显著无序和表面粗糙度，这自然引出一个重要问题：结构缺陷对其谐振特性的稳健性影响如何？本研究开发了聚集-随机球体模型来模拟金属化DNA折纸组装的成核生长过程，从而获得具有实验观测到的真实形态无序和表面粗糙度的超原子。以经典开口环谐振器（SRR）结构为例，研究了不同粗糙度水平下超原子的谐振特性，揭示出光学响应对形态无序具有强耐受性。研究发现：即使引入剧烈粗糙度，SRR仍能呈现预期谐振（尽管相比理想光滑结构会出现线宽展宽），仅当导致SRR严重断裂的极端无序状态才会使谐振响应消失。该成果为自下而上制备多功能超材料及超器件展现了光明前景。
关键词： 自组装、DNA折纸术、超材料、超表面、表面粗糙度、形态无序
更新于2025-09-23 15:19:57
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深度学习赋能的纳米光子学逆向设计
摘要： 深度学习已成为人工智能领域解决复杂数据驱动问题的主导方法。该方法最初几乎仅应用于计算机科学领域（如图像分析和自然语言处理），如今已迅速拓展至物理、化学和材料科学等众多科学领域。最近，深度神经网络被引入纳米光子学领域，成为获取任意纳米光子结构拓扑与成分及其相关功能特性之间非线性映射关系的强大工具。本文讨论了深度学习在纳米光子器件逆向设计中的最新研究进展，重点聚焦监督学习、无监督学习和强化学习这三种现有范式。同时探讨了深度学习正向建模（即人工智能如何学习求解麦克斯韦方程组）问题，并对该快速发展的研究领域进行了展望。
关键词： 正向建模、逆向设计、纳米光子学、人工智能、超材料、机器学习
更新于2025-09-23 15:19:57
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基于太赫兹混合狄拉克半金属-石墨烯超材料的窄带全吸收主动控制
摘要： 一种窄带全吸收器由单层石墨烯、光活性硅和块体狄拉克半金属（BDS）组成，研究人员在不改变结构几何形状的前提下，通过三种不同方式实现了光吸收调控。数值模拟结果表明：通过导模共振实现临界耦合，可在窄光谱范围内达成全吸收，该结果与耦合模理论（CMT）高度吻合。值得注意的是，该器件展现出卓越的偏振不敏感特性，并在宽入射角范围内保持优异的吸收稳定性。此外，其极为突出的传感性能更有利于生物化学传感器的应用。本文提出，这项工作在不依赖石墨烯等离子体激元响应的情况下，显著增强了单层石墨烯中的光-物质相互作用。这种结构简单且易于制备的窄带全吸收结构，在调制器、滤波器和光电探测器设计领域具有卓越的应用潜力。
关键词： 超材料、窄带、吸收、临界耦合
更新于2025-09-23 15:19:57
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专题：等离子体学与超材料的新视野
摘要： 等离子体激元学与超材料是不断发展的领域，持续为控制电磁波产生新技术。从紫外到微波波段的光谱范围中，通过与多种材料、结构及波长的结合，在基础知识和实际应用方面均取得了诸多重要进展。除这些跨多个领域的显著进步外，该研究的许多内容还共享着相同的底层原理，因此预期将产生显著的协同效应。本期特刊介绍了等离子体激元学与超材料的最新进展，并探讨了各种应用，同时涵盖广泛主题以探索此类研究正在涌现的新前沿。
关键词： 超表面、红外传感器、等离子体激元学、超材料、偏振控制
更新于2025-09-23 15:19:57
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等离子体系统中的负有效质量
摘要： 我们报道了基于利用自由电子气等离子体振荡的机电耦合负有效质量（密度）超材料。当金属粒子以频率ω振动时——该频率接近电子气m2相对于离子晶格m1的等离子体振荡频率——就会出现负质量现象。等离子体振荡通过弹性弹簧k2 = ω2p m2表征，其中ωp为等离子体频率。因此，以外界频率ω振动的金属粒子可用有效质量meff = m1 + ω2p m2 / (ω2p - ω2)来描述，当频率ω从上方趋近ωp时该质量为负值。我们以金和锂这两种导电金属为例进行了验证。
关键词： 负有效质量、超材料、低频等离子体激元、等离子体振荡
更新于2025-09-23 15:19:57
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垂直排列的Ag<sub>x</sub>Au<sub>1–x</sub>合金纳米柱嵌入ZnO中作为纳米工程低损耗混合等离子体超材料
摘要： 混合等离子体超材料为实现包括亚衍射成像和等离子体能量收集在内的奇异特性及具有技术重要性的应用提供了途径。但实际应用仍面临挑战，如贵金属的高吸收损耗以及繁琐的生长/制备工艺。本研究成功生长出由嵌入氧化锌基体的各向异性AgxAu1-x合金纳米柱组成的自组装混合等离子体超材料，测定该纳米合金的化学成分为Ag61Au39。我们研究了ZnO-Ag61Au39合金混合体系产生的微观结构与光学特性，并与ZnO-Ag颗粒镶嵌纳米复合材料及ZnO-Au垂直排列纳米复合材料进行对比。ZnO-Ag61Au39混合体系展现出各向异性形貌、优异的外延质量以及增强的光学特性（包括表面等离子体共振、双曲色散、低吸收损耗和多个介电常数近零点），使其成为混合等离子体超材料实际应用的理想候选材料。
关键词： 氧化物-金属杂化材料、等离子体学、纳米合金、超材料、垂直排列的纳米复合材料
更新于2025-09-23 15:19:57
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用于宽带光电探测器的石墨烯等离子体分形超材料
摘要： 超材料最近为最先进光电探测器中的增强光吸收建立了新范式。我们在此展示了一种基于金/石墨烯谢尔宾斯基地毯等离子体分形结构的新型超器件，该器件在室温下实现了宽带、高效、偏振不敏感且栅极可调的光电探测。观测到从近红外到可见光波段前所未有的100%内量子效率，光学探测率上限达10^11琼斯量级，增益高达10^6——这是石墨烯中多重热载流子光生过程的标志性特征。同时，由于电调谐多模等离子体激元在超表面以自相似方式空间局域化所产生的高度聚焦电磁?。ǘ允┒源锏酱醇吐嫉膢e/e0|≈20聚焦因子），我们实现了100倍的光电探测增强。这些发现直接揭示了石墨烯等离子体分形超材料的物理过程机理。所提出的结构为实现未来光电器件（包括多波段生物/化学和光传感器）的宽带、紧凑型有源平台提供了可行途径。
关键词： 石墨烯、超材料、等离子体分形、门控可调、光电探测器、偏振不敏感、宽带
更新于2025-09-23 15:19:57
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宏观响应与超材料光子能带中的米氏散射
摘要： 本文提出了一种计算超材料有效介电张量的通用数值方法，并证明该形式体系可用于研究长波极限之外的超材料。通过分析由高折射率圆柱形包含体组成的系统，该方法复现了多重散射法获得的米氏共振特性和光子能带结构，从而为设计基于共振的光学波长负折射超材料开辟了任意复杂几何结构的研究途径。
关键词： 米氏共振、非局域光学、超材料、均匀化
更新于2025-09-23 15:19:57
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中红外石墨烯等离激元的逆向设计深度学习方法
摘要： 我们从理论上研究了中红外石墨烯基超材料的等离激元特性，并应用神经网络的深度学习进行逆向设计。这些人工结构由沉积在介质薄膜上的方形周期性石墨烯等离激元谐振器阵列构成。光学光谱随结构参数变化而显著改变。为验证理论方法，我们进行了时域有限差分模拟，并将计算结果与理论计算进行对比。理论预测、模拟结果与先前实验之间良好的定量一致性，使我们能够利用该理论模型生成可靠数据来训练和测试深度神经网络。通过将预训练神经网络与逆向网络相结合，我们实现了石墨烯基超材料的逆向设计计算。同时我们也讨论了数据驱动方法的局限性。
关键词： 逆向设计、等离子体学、深度学习、石墨烯、超材料
更新于2025-09-23 15:19:57
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超材料与手性传感：基础与应用综述
摘要： 手性是镜像对称性破缺的一种属性，在自然界中普遍存在。手性分子与其镜像分子表现出不同的生化行为。对于左旋或右旋圆偏振光，电磁场的基本手性状态与手性物质会产生不同相互作用，这一效应已成为检测手性分子的强大工具。这种光学传感（亦称手性传感）不仅易于实施，且对被测物无损伤。然而由于手性光学信号极其微弱，通过光学手段检测手性分子面临挑战。近年来，研究者们积极开发超材料和等离子体平台来调控局域场以增强手性光学信号。这种超材料方法为高灵敏度手性传感开辟了新途径。本文综述了基于超材料与等离子体平台的手性传感最新进展，阐释了手性光学信号增强的基本原理，并重点介绍了实用高效的手性传感平台。我们还提供了关于手性传感超材料设计考量的见解，并探讨了基于谐振超材料的其他类型手性传感的可能性。
关键词： 手性传感、手性分子、旋光色散（ORD）、手性光学光谱、圆二色性（CD）、对映体、等离子体学、超材料、光学光谱学
更新于2025-09-22 11:40:25