卡尔斯鲁厄开发出纳米尺度的偏振片 扫描电子显微镜下的超常介质,结合了计算机合成图形。红白色的螺旋象征着圆偏振光。 (图像:CFN) 最近可以操纵包括光在内电磁波的超介质材料极大地拓展了研究人员的想象力。这些人造结构拥有一些自然界完全不存在的属性。没有畸变的完美透镜甚至哈利波特故事里隐身斗蓬至少有了理论上的可能性。卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的科学家如今首次描绘了可实用于光谱测量的三维超介质材料。 在这份出版前便作为“亮点”新闻刊登在网站上的、由著名专业刊物《科学》发表的工作中,功能纳米结构中心的马丁.魏格纳(Martin Wegener)教授与微结构技术所沃克尔.赛勒(Volker Saile)教授领导的团队综合了不同的技术手段(科学快讯,20.8.2009,10.1126/science.1177031)。在制作这种新元件的时候,首先是在一块光胶上用激光均匀地“刻画”了结构,然后将其溶解。第二步是用电解的方法将黄金沉积到腐蚀出来的空洞里,直至填满。最后再将原始的高分子聚合物腐蚀掉。最后所得到的就是弹簧床垫一样的结构:一些规律排列的微小的黄金螺旋,螺旋的直径只有数百纳米(1纳米= 1毫米的百万分之一)。“这些螺旋可以使照在超介质上的光象华尔兹一样转起来,”魏格纳如是描述其结果。由于其结构,这种三维超介质材料只能允许或左或右旋光的两种电磁波之一透过,因此就象旋转圆偏振光的滤波器。 黄金粒子的电解沉积机理:在电解质中溶解的金化合物扩散到结构的孔洞中,然后沉淀在阴极处。金离子不断沉淀最终将孔洞完全填满。(图: CFN ) 产生这种效应是因为超介质不仅影响电磁波的电组分同时也影响其磁组分。“这种结构可以根据螺旋的大小而对完全不同的波长起作用,而且是在相对较宽的波长范围”,韦格纳团队的加丝娣娜.甘泽尔( Justyna Gansel )说。这种新材料克服了过去超介质材料的缺陷,那些材料的特殊性仅限于极狭窄的频谱范围。 这种新型的紧凑、宽带的圆偏光器可在光谱学领域找到很多有趣的应用。例如它们可以装在便携式的仪器里,对自身具有偏光性的混合态的物质进行分析。“今后可能可以借助超介质材料检验查找酸奶中的右旋乳酸”,甘泽尔推测道。凭着他们在纳米结构的偏振超介质材料领域里的工作, KIT 的科学家继续了一个古老的卡尔斯鲁厄传统:就在 120 年前,海因里希.赫兹就是使用了近 2 米宽的线偏振仪对电磁波进行了开拓性的研究。 原始文献:Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer. Justyna K. Gansel, Michael Thiel, Michael S. Rill, Manuel Decker, Klaus Bade, Volker Saile, Georg von Freymann, Stefan Linden, and Martin Wegener. Science Express Reports, verffentlicht online am 20. August 2009; 10.1126/science.1177031. 背景资料: 超介质材料 超介质是具有整块匀质材料表现的人工制备物,它们结构使之具有自然界根本不具备的某些特性。它们由同类的规律分布的单元共同构成,它们虽比晶体中的原子大得多得多,但与电磁波互作用时具有可比性。通过纳米技术制作的超介质材料是由极小的单元组成的,后者能同波长从可见到红外波段的电磁波产生相互作用。 偏振 光作为电磁波是由相互垂直的磁场与电场交替组成的。当这些波落到玻璃或在空气中的细小颗粒物(雾)时,光会被反射,同时偏振的方向也可能改变。人们照像时用的偏振滤波片或特殊太阳镜可以滤除一些振动波,而只让垂直方向的波透过。由此透射的光就变成线偏振光了。玻璃表面的不必要反光或漫射光都可以相对观众“消失”。相对于线性偏振光的电场只在一个方向上来回振荡,圆偏振光的振动方向却在一个周期旋转 360 度。在这种情况下,电学成分的空间传播形态近乎于是个螺旋。