[论文解读] One-Atom-Thick IR Metamaterials and Transformation Optics Using Graphene

Ashkan Vakil, Nader Engheta|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2011

Plasmonic and Surface Plasmon ResearchEngineering参考文献 4被引用 18

一句话总结

本文提出了一种基于石墨烯的单原子层红外（IR）超材料平台，通过门电压或磁场调控的可变空间导电性图案，实现变换光学功能。仿真结果表明，单层石墨烯可支持亚波长红外透镜、波导、分束器及平面超透镜，从而在原子级薄的平台上实现紧凑、可调谐的红外光子器件。

ABSTRACT

Here we theoretically show, by designing and manipulating spatially inhomogeneous, non-uniform conductivity patterns across a single flake of graphene, that this single-atom-layered material can serve as a "one-atom-thick" platform for infrared metamaterials and transformation optical devices. It is known that by varying the chemical potential using gate electric and/or magnetic fields, the graphene conductivity in the THz and IR frequencies can be changed. This versatility provides the possibility that different "patches" on a single flake of graphene possess different conductivities, suggesting a mechanism to construct "single-atom-thick" IR metamaterials and transformation optical structures. Our computer simulation results pave the way for envisioning numerous IR photonic functions and metamaterial concepts-all on a "one-atom-thick" platform-of such we list a few here: edge waveguides, bent ribbon-like paths guiding light, photonic splitters and combiners, "one-atom-thick" IR scattering elements as building blocks for "flatland" metamaterials, thin strips as flatland superlenses, and "one-atom-thick" subwavelength IR lenses as tools for Fourier and transformation optics.

研究动机与目标

• 证明单个石墨烯薄片可作为红外超材料与变换光学器件的一体化原子层平台。
• 解决制造超薄、可调谐红外光子组件并实现亚波长控制的挑战。
• 利用外部电场或磁场调制的石墨烯空间非均匀导电性，实现复杂波前调控。
• 提出并仿真基于二维材料平台的新型红外光子功能，如边缘波导、光束分束器及平面透镜。

提出的方法

• 通过外部门电压或磁场，在单个石墨烯薄片上设计可变的空间导电性图案，以调节局部导电性。
• 使用Kubo公式建模石墨烯在太赫兹与红外波段的导电性，实现光学响应的动态调控。
• 采用有限元仿真分析图案化石墨烯结构中电磁波的传播特性。
• 通过将期望的波前变换映射到空间导电性分布，实现变换光学原理。
• 在石墨烯平台上仿真关键光子器件，如边缘波导、光子分束器及亚波长透镜。
• 通过红外波段的电磁场分布与透射特性验证器件功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单原子层石墨烯薄片能否支持适用于红外超材料的可调谐、空间非均匀导电性图案？
• RQ2 如何利用外部电场或磁场在石墨烯中工程化有效光学特性以实现波前调控？
• RQ3 变换光学原理是否可在如石墨烯这样的二维原子薄材料中实现？
• RQ4 通过图案化石墨烯可实现哪些红外光子功能，如波导、光束分束或亚波长聚焦？
• RQ5 石墨烯基器件在红外波段中在多大程度上可实现亚波长分辨率与高效透射？

主要发现

• 石墨烯中的空间非均匀导电性图案可实现具有可调光学响应的单原子层红外超材料。
• 成功仿真了边缘波导与弯曲带状路径，展示了红外光沿预设路径的导引传播。
• 实现了光子分束器与合束器，通过工程化导电性分布展示了对红外光束的可控分束与再结合。
• 仿真了亚波长红外透镜，利用单原子层石墨烯平台实现了超越衍射极限的聚焦。
• 图案化石墨烯的细长条带作为平面超透镜，实现了红外波段的亚波长成像。
• 该平台支持傅里叶光学与变换光学功能，包括波前整形与光束操控，全部集成于单个原子层内。