近日，苏州大学 罗杰课题组与南京大学赖耘教授课题组、同济大学李宏强教授课题组合作，实现了一种新型的自对偶电介质超材料，不仅消除了各向异性所导致的双折射效应，而且在全偏振和全角度上与空气阻抗匹配，首次实现了全角度、全偏振的布儒斯特效应。相关成果以“Dielectric metamaterials with effective self-duality and full-polarization omnidirectional Brewster effect”为题，于2024年9月发表在学术期刊Light: Science & Applications上。
在真空中，麦克斯韦方程组满足电磁自对偶对称性的基本特性。然而，物质的存在会导致电响应与磁响应不再平衡，从而从根本上破坏了这种对称性，产生了一系列深远的影响。例如，能够将不同偏振的光分离的经典布儒斯特效应和双折射效应，都可以看成为是材料中的电磁自对偶对称性被破坏所导致的后果。如果能够在材料中恢复这种电磁自对偶对称性，就有可能实现一类电磁特性与真空类似的新材料，消除对偏振的选择性。
另一方面，超材料（Metamaterials）与超表面（Metasurfaces）在过去二十年间获得了迅猛的发展。它们具有超常的物理特性，可以突破现有基础理论、材料结构等瓶颈，从而实现一系列在自然界中原不存在的崭新材料，如隐身材料，零折射率材料，光场调控材料，等等。然而，效率不高与偏振选择仍是制约一些器件应用的突出问题。对于具有广泛应用前景的透射式超材料/超表面器件，其效率主要受限于损耗和反射这两个因素。鉴于此，提高效率的方法就是降低损耗和消除反射。前者可以通过采用材料损耗极低的电介质材料来实现，而后者通常需要在微结构单元中构建精准的电谐振和磁谐振，使之获得与空气匹配的阻抗来实现。然而，现有大部分方案主要针对的是垂直或小角度入射波，透射效率往往会在大角度（>60°）下显著降低，且通常会表现出一定的偏振依赖性。因而，如何构建纯电介质超材料，使其拥有全偏振、全角度的完美透射特性仍是一个悬而未决的关键科学问题。
图1 左图：经典布儒斯特效应仅限于特定的入射角和特定偏振，同时各向异性会引起波束分裂的双折射效应。右图：电介质超材料同时实现全偏振、全角度布儒斯特效应与等效自对偶效应，因而能够对任意偏振入射波在任意角度下实现完美透射，且没有双折射。
该项工作设计了一种全角度阻抗匹配的自对偶电介质超材料，可以完美解决前面提到的偏振选择和效率不高这两个重要问题。和普通的各向异性电介质（图1a）比较，这种电介质超材料（图1b）具有两个重要特性：1）全偏振、全角度的布儒斯特效应或阻抗匹配；2）有效自对偶特性。前者使得电介质超材料在工作频段下拥有完美透波特性，即全角度、全偏振完美透波，且不受结构单元数目影响；而后者直接导致了双折射“消失”的现象。尽管该电介质超材料从折射率看是各向异性的，却不会像普通各向异性介质那样产生双折射，即任意偏振入射对应于相同的折射角（图1b）。这种偏振无关的光学特征来源于在材料的有效自对偶对称性的保护。
图2 新型电介质天线罩，对横电（左图）和横磁（右图）偏振点波源辐射没有任何阻挡。
尽管这类新型电介质超材料是由阻抗与空气不匹配的普通电介质固体构成的，却可以在工作频段实现与真空类似的完美电磁传输特性，因此可以看作是一种“被拉伸”的真空。在工作频段，这种超材料允许任意偏振和波前的入射电磁波完美透射，如同在真空中传播一般，从而在特定频率下实现了透波性能最佳的电介质固体，未来有望应用于新型电介质天线罩（图2）、高效率电介质透镜、无反射电介质超材料/表面、5G/6G信号透波材料，等等。这个机理可推广至现有超材料/超表面器件中，有望解决部分器件效率低下的关键科学问题。
这项研究工作得到了南京大学彭茹雯教授和王牧教授，国防科技大学刘伟教授的帮助与指导，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01605-z
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