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Experimental realization of optical lumped nanocircuits at infrared wavelengths

热1 唐唐添加于 2012-3-3 00:06 | 2815 次阅读 | 1 个评论

作者
Sun Y, Edwards B, Alù A, Engheta N
摘要
The integration of radiofrequency electronic methodologies on micro- as well as nanoscale platforms is crucial for information processing and data-storage technologies1, 2, 3. In electronics, radiofrequency signals are controlled and manipulated by ‘lumped’ circuit elements, such as resistors, inductors and capacitors. In earlier work4, 5, we theoretically proposed that optical nanostructures, when properly designed and judiciously arranged, could behave as nanoscale lumped circuit elements—but at optical frequencies. Here, for the first time we experimentally demonstrate a two-dimensional optical nanocircuit at mid-infrared wavelengths. With the guidance of circuit theory, we design and fabricate arrays of Si3N4 nanorods with specific deep subwavelength cross-sections, quantitatively evaluate their equivalent impedance as lumped circuit elements in the mid-infrared regime, and by Fourier transform infrared spectroscopy show that these nanostructures can indeed function as two-dimensional optical lumped circuit elements. We further show that the connections among nanocircuit elements, in particular whether they are in series or in parallel combination, can be controlled by the polarization of impinging optical signals, realizing the notion of ‘stereo-circuitry’ in metatronics—metamaterials-inspired optical circuitry.
详细资料
- 文献种类: Journal Article
- 期刊名称: Nature Materials
- 期刊缩写: Nat Mater
- 期卷页: 2012年第11卷第3期 208-212页
- ISBN: 1476-1122
学科领域工程技术 » 材料科学
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首个“超电子”电路问世

据美国物理学家组织网近日报道，科学家一直希望能用更小且更复杂的电路来精准地控制电荷的流动，现在，美国科学家们用光子取代电子，制造出首个由光子电路元件组成的“超电子”电路，朝上述目标迈进了一步。相关研究发表在最新一期《自然—材料学》杂志上。

不同配置和组合方式的电子电路具有不同的功能，从简单的光开关到复杂的超级计算机。电路由不同的电路元件，包括能非常精确操纵电路中电子流动的电阻器、感应器和电容器等组成。电子电路和光子也都遵循描述电磁场行为的基本公式——麦克斯韦方程组。

宾夕法尼亚大学电子和系统工程学院的纳德·恩西塔表示：“如果我们使用电磁光谱内波长更短的波，比如光，我们或许能使电路更小、更快、更高效。”现在，他和学生制造出首个由光子电路元件组成的“超电子”物理演示电路，使这一梦想成为了现实。

“超电子”中的“超”指的是超材料——嵌入材料中的纳米图案和结构，使其能采用以前无法做到的方法操控波。他们在最新实验中利用亚硝酸硅制造出梳状的长方形纳米棒阵列。这种新型纳米棒的横截面和其间的孔隙形成的图案能复制电阻器、感应器和电容器这三个最基本电路元件的功能，只不过其操纵的是光波。恩西塔指出：“如果我们拥有光子版本的电路元件，我们就能制造出操纵光的电路。”

在实验中，他们用一个光子信号（其波长位于中红外线范围内）照射该纳米棒，并在波通过时用光谱设备进行测量。他们使用不同宽度和高度组合的纳米棒重复该实验后证明，不同大小的光电阻器、感应器和电容器都可以改变光“电流”和光“电压”。恩西塔表示：“纳米棒的一部分既扮演感应器，又扮演电阻器，而空气间隙则扮演电容器。”

除了可通过改变制造纳米棒的维度和材料改变光子电路的功能外，改变光的方向也可改变上述 “超电子”电路，而传统电子学则无法做到这一点。这是因为光有偏振，即在波中振动的电场，其在空间拥有确定的方位。在“超电子”电路中，电场与光子电路元件相互作用且被其改变，因此，改变电场的方位可以改变电路。

恩西塔团队正在为这类复杂的“超电子”学建立理论基础。他表示：“电子学的另一个成功因素同其模块化有关，我们能通过安排不同的电路元件制造出无数个电路，因此，我们也希望设计出更复杂的光学元件，以获得具有不同功能的光子电路。”（来源：科技日报刘霞）