科学家研发氮化硅纳米超材料可用来设计更高效的LED

据物理学家组织网近日报道，荷兰原子与分子物理研究所物质基础研究所和美国宾夕法尼亚大学科学家合作，制造出一种由堆积银和氮化硅纳米层构成的新材料，能赋予可见光近乎无限的波长。该材料有望在新型光学元件、光线路等领域大显身手，也可用于设计更高效的发光二极管。相关论文发表在13日出版的《自然·光子学》杂志上。

光的相位速度和波群速度控制着光在一种介质中的传播。相位速度决定了波峰和波谷在该介质中的运动，波群速度则描述了能量的传播。根据爱因斯坦的理论，光能的传播永远不会快于光速，因此相位速度虽没有物理限制，但波群速度是有限的。当相位速度变为零时，波峰和波谷的运动消失，此时其波长看作是接近无穷大的一个极大值。然而在自然界并不存在这种性质的材料。

研究人员解释说，光在介质中传播的方式取决于介质材料的介电常数，即它对光波电场的阻抗。近零材料（ENZ，介电常数接近零的材料）具有独特的性质，光在其中传播时，几乎没有相位超前。虽然目前已有微波和远红外波谱的人造材料，但可见光范围的块状三维ENZ材料还很难得到。

为制造这种材料，研究小组用精密排列的堆积银和氮化硅纳米薄层，使通过其中的光能“感觉”到这两种材料的光学性质。他们利用聚焦离子束铣削技术对材料结构实现了纳米尺度的控制。因为银的介电常数可以忽略，而氮化硅的介电常数为正，二者结合介电常数在实际效果上就等于零，对光而言所受阻抗看起来也是零，能以无限的相位速度传播，光的波长也近乎无限。

经专门建造的干涉仪显示，光在这种材料中传播时，相对于几乎无限的波长而言，其相位确实没有明显变化。通过改变材料的几何形状，还可调整适用于整个可见光谱的范围。研究人员指出，这种新材料有望在新型微波/纳米光学元件领域大显身手，如透射增强、波阵面造型、控制自发射和超辐射等方面。