物理所高品質(zhì)因子的3D環(huán)磁共振超材料研究獲進(jìn)展

　　環(huán)磁極矩（toroidal moment）是一種由圓環(huán)體上沿經(jīng)線(xiàn)流動(dòng)的電流或者首尾相接的磁偶極矩產(chǎn)生的電磁激勵(lì)，由于強(qiáng)度較弱，它往往被電極矩和磁極矩所掩蓋, 難以被直接觀測(cè)。直到2010年，人們才利用超材料結(jié)構(gòu)在微波波段實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)環(huán)磁極矩主導(dǎo)的電磁響應(yīng)。動(dòng)態(tài)環(huán)磁極矩具有非凡的電磁能量局域能力與輻射抑制能力，因此高品質(zhì)因子的環(huán)磁極矩在等離激元激光、傳感、旋光、負(fù)折射率等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。但是在高頻波段，由于受到材料結(jié)構(gòu)與空間調(diào)制能力的限制，實(shí)現(xiàn)具有實(shí)用價(jià)值的環(huán)磁極矩共振超材料還面臨諸多困難。

　　近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）微加工實(shí)驗(yàn)室一直致力于3D微納結(jié)構(gòu)的加工方法和器件應(yīng)用研究。他們發(fā)明了一種基于聚焦離子束的應(yīng)變誘導(dǎo)3D微納米結(jié)構(gòu)加工新方法，可以將一維和二維材料進(jìn)行不同程度的多次有序折疊，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)單元在空間、尺寸、周期與幾何形貌可調(diào)制的大面積可控加工【Appl. Phys. Lett. 102, 213112 (2013); Light: Science & Application 4, e308 (2015)；Sci. Rep. 6, 28764 (2016)】。最近，該實(shí)驗(yàn)室博士劉哲以及研究員李俊杰和顧長(zhǎng)志等將這種折疊式3D結(jié)構(gòu)的材料從金屬納米線(xiàn)和納米薄膜擴(kuò)展到金屬/介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，以透明SiNx薄膜為骨架，利用聚焦離子束應(yīng)變誘導(dǎo)折疊加工工藝，將微米尺寸的金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在3D空間以不同的開(kāi)口方向和空間位置進(jìn)行組合，獲得具有高構(gòu)型自由度的3D光學(xué)超材料（圖1）。在垂直方向入射光的激發(fā)下，金屬諧振環(huán)產(chǎn)生LC共振，不同開(kāi)口方向諧振環(huán)的共振模式發(fā)生耦合，導(dǎo)致磁偶極矩沿環(huán)形首尾相接，形成環(huán)磁偶極共振（圖2）。該環(huán)磁共振位于中紅外波段，且品質(zhì)因子高達(dá)20.78，是在光頻波段已有報(bào)導(dǎo)的最高值。通過(guò)分析環(huán)磁偶極矩的輻射能量譜，他們觀察到在共振頻率處TZ取得最大值，證明了環(huán)磁偶極共振的存在。為了使環(huán)磁偶極輻射的強(qiáng)度高于電偶極和磁偶極，他們利用斜入射的TM波進(jìn)行激發(fā)，發(fā)現(xiàn)隨著入射角度的增加，TZ輻射分量逐漸增強(qiáng)，并且在75°入射角時(shí)其輻射強(qiáng)度超過(guò)電偶極和磁偶極，同時(shí)仍保持較高的品質(zhì)因子（圖3）。這一結(jié)果證明了利用折疊式3D結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因子環(huán)磁偶極共振的可能性，顯示出在高性能傳感和等離激元激光等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。該研究結(jié)果作為Frontispiece發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials 29, 1606298 (2017)）上。

　　以上工作得到了科技部（2016YFA0200803, 2016YFA0200400, 2016YFA0301102）、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（91323304, 11504414, 11674387, 11574368, 61505164, 11574369, 11574385）和中科院相關(guān)項(xiàng)目的資助。

Frontispiece

圖1：利用聚焦離子束折疊加工方法制備3D金屬/介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的流程圖和SEM圖

圖2：環(huán)磁偶極超材料的透過(guò)譜和多極矩遠(yuǎn)場(chǎng)輻射譜

圖3：斜入射激發(fā)時(shí)樣品的多極矩輻射強(qiáng)度和不同角度下的透過(guò)譜