研究前沿:南京大学管福鑫/香港大学张霜团队,等离激元超材料 | Nature Physics

超材料Metamaterials可对波传播实现前所未有的调控，但会因波耗散产生光学损耗，这一问题，在光学成像与传感系统中尤为突出。近期基于含时间衰减的复频波complex-frequency wave，CFW激发技术，为光学损耗补偿提供了极具前景的方案，但该方法在极端损耗场景下，仍存在局限。复频波需要足够的时间衰减，以抵消材料损耗，这会不可避免地导致信号在达到准静态前快速衰减至零。

近日，南京大学管福鑫教授课题组联合香港大学张霜团队在Nature Physics上发文，通过设计高阶时间衰减激发形式，有效降低信号衰减速率，使信号持续足够长时间以达到准静态，并维持损耗补偿效率。实验表明，在等离子体共振体系中，该方法相较于传统复频波激发，可实现20倍噪声抑制。该方法适用于成像、生物传感、集成光信号处理等多个领域，应用前景广阔。

等离激元超材料中，光学损耗补偿的高阶虚拟增益

图1：不同虚拟增益下，复频波损耗补偿的示意图（红色、蓝色、绿色分别代表不同强度的虚拟增益。虚线是干扰信号，黑线是有限频带引入的噪声。增益越强（绿线），有用信号（实线）越早被噪声淹没）

图2：基于损耗补偿，高阶虚拟增益合成激发（n=1（红）是传统快衰减；n=2（蓝）、n=3（绿）则呈现“先缓后急”的慢衰减特性）

图3：利用高阶虚拟增益激发恢复等离激元共振的实验演示（黑色是原始模糊信号，红色（n=1）有强振荡，蓝色（n=2）和绿色（n=3）则干净得多）