超構(gòu)納米電路——電子學(xué)的下一個(gè)前沿
研究者們已經(jīng)在通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試NaderEngheta的理論，如果實(shí)踐證明這個(gè)理論是成功的，那將意味著我們可以找到在納米級(jí)可靠工作的新技術(shù)，同時(shí)這些技術(shù)也可獲得在過(guò)去數(shù)十年發(fā)展起來(lái)的傳統(tǒng)電子學(xué)知識(shí)的支撐。
Engheta指出，首先，他對(duì)利用超構(gòu)納米電路(metananocircuitry)創(chuàng)建開(kāi)關(guān)很有興趣。它們可能會(huì)產(chǎn)生一種新的光學(xué)信息處理器件，或許，還能產(chǎn)生一種新形式的納米級(jí)計(jì)算單元。
他對(duì)“納米級(jí)光學(xué)無(wú)線傳輸”的想法感到非常興奮。換句話說(shuō)，他想研究在納米結(jié)構(gòu)、甚至納米單元之間進(jìn)行光學(xué)通訊的可能性——就像現(xiàn)在大家常見(jiàn)的RF和微波那樣。
加拿大多倫多大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程教授GeorgeEleftheriades認(rèn)為，Engheta的工作描述了一種構(gòu)想，“其中包括光學(xué)構(gòu)件以及把它們組合起來(lái)、將眾所周知的無(wú)源的電阻電容電感(RLC)電子網(wǎng)絡(luò)移植到光學(xué)領(lǐng)域的方法。其中包括把濾波器、功率分配網(wǎng)絡(luò)、微波傳輸線和許多其它東西直接以光學(xué)實(shí)現(xiàn)?！?nbsp;
在Engheta的世界中，光學(xué)構(gòu)件是電介質(zhì)納米微粒，Eleftheriades解釋說(shuō)。傳統(tǒng)的電介質(zhì)納米微粒具有正介電常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)電容，他指出，而負(fù)的等離子納米微粒具有負(fù)的介電常數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)電感和電阻。
他解釋道：“之所以會(huì)產(chǎn)生這些與傳統(tǒng)電子網(wǎng)絡(luò)不同的概念，原因是我們不是從傳導(dǎo)電流的角度而是從位移電流的角度進(jìn)行考慮的，位移電流確實(shí)可以在自由空間和在電介質(zhì)材料中流動(dòng)?！?nbsp;
打造微觀世界的電路板
Engheta的理論依賴于三個(gè)基本的想法。首先，是不同材料的納米微?？梢云ヅ鋵?duì)應(yīng)電子器件(如電阻、電容和電感)；其次，可以把這種納米微粒看成“集總元件”，能夠通過(guò)利用額外的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)從而被連接在一起構(gòu)成電路；最后，在超構(gòu)材料的概念中，復(fù)合材料所表現(xiàn)出的性質(zhì)由其納米級(jí)結(jié)構(gòu)決定，而不是由其化學(xué)性質(zhì)決定，這對(duì)設(shè)計(jì)出高效的器件是至關(guān)重要的。
為了理解這三種想法是如何聯(lián)系到一起的，可以先設(shè)想一個(gè)由非磁性材料制造的孤立的納米微粒，其直徑為光波波長(zhǎng)的若干分之一。使用麥克斯韋方程來(lái)對(duì)它進(jìn)行分析，并讓電位移電流密度與電流相等，我們就可以得出：如果材料介電常數(shù)Re(e)的實(shí)部大于零，該微粒對(duì)射入光表現(xiàn)為電容；如果Re(e)小于0，那么它表現(xiàn)為電感；如果介電常數(shù)的虛部不等于零，則存在能量損失(不管實(shí)部為多少)，因而，可以認(rèn)為該元件具備電阻性。
當(dāng)然，即使我們?cè)诶碚撋蠈?shí)現(xiàn)了光子域和電子域的等價(jià)，兩者在實(shí)際應(yīng)用方面仍有很大不同。電子沒(méi)有泄露傾向；元件間的空氣和絕緣體可以防止電流損失。遺憾的是，我們不能以同樣的方式阻止光子逃逸。我們需要額外的結(jié)構(gòu)層來(lái)引導(dǎo)這些波。介電常數(shù)比真空低得多的材料層可以充當(dāng)端子的角色，而具有高介電常數(shù)的層可以充當(dāng)阻礙傳播的角色。在這些導(dǎo)線和屏障都就位之后，就可以創(chuàng)建出由這些器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。
盡管所有這些在理論上聽(tīng)起來(lái)是可行的，但仍存在一個(gè)問(wèn)題：在光波波長(zhǎng)上，實(shí)現(xiàn)這種電路的理想材料在自然界中并不真實(shí)存在。幸運(yùn)的是，超構(gòu)材料的進(jìn)展有望解決這個(gè)難題。科學(xué)家們所作的展示已經(jīng)表明，通過(guò)把一種材料的納米級(jí)結(jié)構(gòu)嵌入到另一種材料中，利用共振和其它交互作用可以改變?cè)摬牧纤憩F(xiàn)出來(lái)的總體性質(zhì)。更妙的是，負(fù)折射率材料(光的折射方向與傳統(tǒng)光密材料的反射方向相反)已經(jīng)表現(xiàn)出這樣的性質(zhì)。
使之變成現(xiàn)實(shí)
Engheta和他的小組已經(jīng)對(duì)不同電路進(jìn)行了仿真，其中包括Yagi-Uda天線結(jié)構(gòu)的一個(gè)光學(xué)版本。然而，他的想法是否可以在實(shí)踐中被實(shí)現(xiàn)？這在目前仍不明朗。能使這些器件良好工作所需要的一些超構(gòu)材料還沒(méi)有發(fā)明出來(lái)，更談不上制造。事實(shí)上，在倫敦帝國(guó)學(xué)院(ICL)的理論物理學(xué)教授JohnPendry提出了(當(dāng)時(shí)存在很大爭(zhēng)議)可能存在負(fù)折射率材料很長(zhǎng)時(shí)間之后(在最近十年內(nèi))才出現(xiàn)了這樣的材料。有人認(rèn)為，這樣的先例預(yù)示著Engheta的構(gòu)想將有光明的前景。
已經(jīng)有兩個(gè)小組投入研究，試圖展示納米電路的基本原理。LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室集成納米技術(shù)中心的RohitPrasankumar正在與其同事一起，共同研究能在可見(jiàn)光波上作為集總納米電路元件來(lái)工作的光學(xué)納米天線?！拔覀冋谥圃爝@些納米天線，并希望在近期使用光散射實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試這種納米元件的運(yùn)行情況。”Prasankumar說(shuō)，“接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)將包括設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試一些更復(fù)雜的納米電路(如納米傳輸線)，并使之達(dá)到期望的功能?！?nbsp;
Prasankumar把這個(gè)努力看作是“在過(guò)去的幾年里，從研究轉(zhuǎn)向超構(gòu)材料及應(yīng)用方面所取得的最激動(dòng)人心的進(jìn)步之一，特別是如果我們能成功地使Engheta教授的理論性想法成為現(xiàn)實(shí)。我對(duì)從事這項(xiàng)研究感到非常興奮，并希望在不久的將來(lái)得到能夠工作的光學(xué)納米電路?！?nbsp;
賓州大學(xué)物理系也在研究這個(gè)問(wèn)題?！拔覀兇蛩銟?gòu)建特殊設(shè)計(jì)的、周期遠(yuǎn)低于工作波長(zhǎng)的光柵結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這樣的納米結(jié)構(gòu)在光學(xué)反射和傳輸方面的性能。”賓州大學(xué)物理學(xué)教授MarijaDrndic說(shuō)。
據(jù)Engheta預(yù)測(cè)，這樣的納米結(jié)構(gòu)可以在納米級(jí)扮演光學(xué)濾波器的角色，如依賴于入射光偏振特性的帶通或帶阻濾波器。Drndic說(shuō)，如果取得成功，“該實(shí)驗(yàn)將表明他的光頻集總電路元件的概念確實(shí)可以為設(shè)計(jì)具有多種功能的光學(xué)納米電路提供有用的指導(dǎo)?！?nbsp;
繼續(xù)前行
盡管人們總體上對(duì)這項(xiàng)工作充滿熱情，多倫多大學(xué)的Eleftheriades仍認(rèn)為前進(jìn)的道路上研究者們還面臨著一些挑戰(zhàn)?！疤貏e是，等離子材料(如金和銀)在用于互連時(shí)可能是有損耗的。”他說(shuō)，“這些光學(xué)RLC納米電路與有源器件(如激光器)的集成可能具有挑戰(zhàn)性?！?nbsp;
Engheta同意這個(gè)分析，特別是對(duì)材料損失問(wèn)題，但也表示他認(rèn)為超構(gòu)納米電路在未來(lái)有巨大的潛力。
譯者注：metananocircuit目前在中國(guó)還沒(méi)有合適的中文翻譯，由于metamaterial在自然界中不存在，且其性質(zhì)取決于它特異的結(jié)構(gòu)，所以我們把利用這種超構(gòu)材料而制造的納米電路翻譯為“超構(gòu)納米電路”。
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