CAREER: Light Manipulation in Metal-Dielectric Multilayer Metamaterials with Large Anisotropy
职业:具有大各向异性的金属介电多层超材料中的光操纵
基本信息
- 批准号:1552871
- 负责人:
- 金额:$ 50.05万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Continuing Grant
- 财政年份:2016
- 资助国家:美国
- 起止时间:2016-06-01 至 2023-05-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Nontechnical Description: Metamaterials are artificially structured composite materials with properties significantly different from those of the natural materials. The permittivity of an optical material is an important measure of its ability to store electromagnetic energy and to convert electromagnetic energy into heat. The permittivities of the most common optical materials are usually isotropic (i.e., the same value in all directions), with positive values for dielectric or transparent materials such as glass and water. By placing dielectric and metallic thin layers in alternative order, new types of optical metamaterials, namely metal-dielectric multilayer metamaterials, are created with permittivities that could not be realized using natural materials: with permittivity values designed to be very large, or very small, and different in different directions of the materials. In this research multilayer metamaterials are utilized to study novel phenomena of light propagation and manipulation and to address current challenges in optical metamaterials. This research paves the way for advances of multilayer metamaterial-based applications in optical communications, imaging processing, sensing, solar energy harvesting and adaptive optics. The research effort is integrated with education and outreach activities, including training students in metamaterials, development of optics learning modules in undergraduate and graduate courses, and organizing a nanotechnology workshop for public audiences, including K-12 students.Technical Description: The goals of the research component of this CAREER award are to study extraordinary light manipulation using metal-dielectric multilayer metamaterials with large anisotropy, including epsilon-near-zero, hyperbolic, and epsilon-very-large metamaterials, and to explore new optical physics phenomena using these metamaterials. Combined approaches of theoretical analysis, numerical simulation, materials fabrication and experimental characterization are used in the research to gain fundamental understanding of light-matter interactions in multilayer metamaterials. The research includes the following components: (i) accurate determination of the effective permittivity of metamaterials by probing the reflectance and transmittance, in both amplitude and phase, via an advanced optical vortex spectroscopic technique; (ii) exploring optical nonlocalities in periodic and quasiperiodic multilayer metamaterials for realization of Dirac physics via Zitterbewegung and Klein tunneling effects; (iii) design of patterned multilayer hyperbolic metamaterials for the generation of complex optical vector vortex beams to explore structured light manipulation; and (iv) verification of a novel concept of loss-anisotropic metamaterials, to demonstrate counterintuitive phenomena of absorption loss induced transmission and beam propagation.
非技术描述:超材料是一种人工结构的复合材料,其性质与天然材料有很大的不同。光学材料的介电常数是其存储电磁能和将电磁能转换成热的能力的重要量度。最普通的光学材料的折射率通常是各向同性的(即,在所有方向上的值相同),对于电介质或透明材料(例如玻璃和水)具有正值。通过将电介质和金属薄层以交替顺序放置,新型光学超材料,即金属-电介质多层超材料,被创建为具有使用天然材料无法实现的介电常数:介电常数值被设计为非常大或非常小,并且在材料的不同方向上不同。在这项研究中,多层超材料被用来研究光传播和操纵的新现象,并解决当前光学超材料的挑战。这项研究为多层超材料在光通信、成像处理、传感、太阳能收集和自适应光学等领域的应用铺平了道路。研究工作与教育和推广活动相结合,包括对学生进行超材料培训,在本科和研究生课程中开发光学学习模块,以及为公众(包括K-12学生)组织纳米技术研讨会。这个职业奖的研究部分的目标是研究使用金属的非凡的光操纵-具有大的各向异性的电介质多层超材料,包括ε-近零、双曲线和ε-超大超材料,并使用这些超材料探索新的光学物理现象。本研究采用理论分析、数值模拟、材料制备和实验表征相结合的方法,对多层超材料中的光-物质相互作用有了基本的了解。该研究包括以下内容:(i)通过先进的光学涡旋光谱技术,通过探测反射率和透射率的振幅和相位,精确确定超材料的有效介电常数;(ii)探索周期和准周期多层超材料中的光学非局域性,以通过Zitterbewegung和Klein隧道效应实现Dirac物理;(iii)设计图案化多层双曲超材料,用于产生复杂的光学矢量涡旋光束,以探索结构光操纵;以及(iv)验证损耗各向异性超材料的新概念,以证明吸收损耗引起的传输和光束传播的违反直觉的现象。
项目成果
期刊论文数量(52)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Optical Vortex Transmutation with Geometric Metasurfaces of Rotational Symmetry Breaking
- DOI:10.1002/adom.201901152
- 发表时间:2019-08
- 期刊:
- 影响因子:9
- 作者:Yuchao Zhang;Jie Gao;Xiaodong Yang
- 通讯作者:Yuchao Zhang;Jie Gao;Xiaodong Yang
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- DOI:10.1038/s41598-019-45727-6
- 发表时间:2019-06
- 期刊:
- 影响因子:4.6
- 作者:Yuchao Zhang;Xiaodong Yang;Jie Gao
- 通讯作者:Yuchao Zhang;Xiaodong Yang;Jie Gao
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- DOI:10.1002/lpor.202100182
- 发表时间:2021-10
- 期刊:
- 影响因子:11
- 作者:R. Tripathi;Xiaodong Yang;Jie Gao
- 通讯作者:R. Tripathi;Xiaodong Yang;Jie Gao
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- DOI:10.1088/1361-6528/ab88ea
- 发表时间:2020-04
- 期刊:
- 影响因子:3.5
- 作者:Leixin Ouyang;D. Rosenmann;D. Czaplewski;Jie Gao;Xiaodong Yang
- 通讯作者:Leixin Ouyang;D. Rosenmann;D. Czaplewski;Jie Gao;Xiaodong Yang
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操纵对称破缺的等离子体三角孔的横向光电压
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- 发表时间:2019
- 期刊:
- 影响因子:4
- 作者:Akbari, Marjan;Gao, Jie;Yang, Xiaodong
- 通讯作者:Yang, Xiaodong
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- 影响因子:0
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