博科園-本文為光學和光子學類
杜克大學研究人員發現，他們一篇論文中描述的一種完美電磁波吸收器，可以很容易地轉換成一種被稱為相干完美吸收器(CPA)的“時間反轉激光器”。這項研究發表在2019年1月28日的《高級光學材料》上。激光是一種將能量轉換成相干光的裝置，這意味著光波彼此完美地排列在一起。相反的過程，CPA（有時被稱為時間反轉激光）是一種設備，它能從兩個完全相同的電磁波中，以完美同步的方式，從任意一側吸收所有的能量。也就是說，波浪的波峰和波谷恰好同時從兩側進入物質。
博科園-科學科普：2017年杜克大學(Duke)電子與計算機工程教授威利帕迪拉(Willie Padilla)製造出了第一種能夠在不含任何金屬原子的情況下，吸收電磁波能量近100%的材料。這種裝置是一種超材料合成材料，由許多獨立的、經過工程設計的特徵組成，共同產生自然界中沒有的特性。這種特殊的超材料以氧化鋯陶瓷為特色，其表面有凹槽，就像樂高積木的表面。通過改變圓柱體的大小和間距，對設備的性能進行計算建模後，研究人員意識到他們實際上創造了一種更基本的CPA。帕迪拉說：我們以前研究過這個系統作為一個完美的吸收器，但是現在發現這個裝置也可以配置成CPA。
- 這裡描述的圓柱體寬度、高度和間距決定了新論文中描述的超材料如何吸收電磁能量。圖片：Kebin Fan, Duke University
這項研究表明，這些看似不同的領域實際上是同一個領域。目前文獻中描述的都只有一種模式。當傳入的電磁波要麼完全對齊，要麼完全不同步時，它們就會起作用。帕迪拉和帕迪拉實驗室的助理教授範克賓發現，他們理想的吸收器實際上是CPA，它有兩種重疊模式：既能吸收對齊的波，也能吸收未對齊的波。通過改變材料的參數，使這兩種模式不再重疊，帕迪拉和範能夠證明，它可以很容易地變得像目前文獻中的註冊會計師一樣，但具有更多的通用性。典型的只有一個變量，那就是材料的厚度，而新發現有三個：圓柱體的半徑、高度和週期性。這給了我們更多的空間來定製這些模式，並把它們放到我們想要的頻段上，這給了我們很大的靈活性來定製CPA。
- 實際超材料的圖片，由一個領域的特殊定製的圓柱體。圖片：Willie Padilla, Duke University
在這篇論文中，研究人員展示了設備可以在吸收電磁波的所有相位和僅僅通過將圓柱體的高度從1.1毫米增加到1.4毫米之間進行切換。有了這種簡單的過渡，相信設計一種可以在兩者之間動態切換的材料是可能的。雖然目前還沒有任何設備可以利用CPA的能力，但帕迪拉和范佩西想到了一些。理論上，研究人員可以設計出一種設備，不僅可以像普通相機那樣測量入射光的強度，還可以測量入射光的相位。如果想弄清楚一種材料的特性，測量的數據越多，就越能瞭解這種材料。雖然相干探測器確實存在，但通過其他技術製造它們的成本非常昂貴。
- 傳統的“反激光器”只能在入射電磁波完全對準時吸收能量，如上圖所示。圖片：Duke University
博科園-科學科普｜研究/來自: 杜克大學
參考期刊文獻:《高級光學材料》
DOI: 10.1002/adom.201801632
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