值得注意的是,除了相速度和羣速度。其實還有光還有其它的速度,比如信息傳遞的速度,能量速度,羣速度,這三者一般是相同,但是在特殊情況下有可能不同。
我重點來説一下有什麼用吧。我儘量講簡單,多放點圖,好讓大家有直觀的印象。
折射率小於 1,介質的特性肯定要是色散的,也就是折射率隨頻率變化,這是由於一個叫 Kramers–Kronig relations 決定的。折射率小於 1,那麼它的相速度就是超光速了。
我們這裏不討論折射率小於 0 的情況,我們考慮一種極限情況,及折射率非常小,接近於 0,也就是零折射率。
很容易理解,在零折射率材料裏面,光的相速度是無窮大的,所以,所有在零折射率材料裏面,光的相位是相同的。
零折射率材料控制電磁波輻射
比如上面這幅圖,中間的正六邊形的結構就是零折射率材料,所以,裏面所有的場都是一樣的。如果在這個材料裏面放一個天線,那麼輻射出來的場是由零折射率材料的形狀決定的。
這可以做什麼呢?
可以做天線呀。如果這種零折射率材料能夠柔軟就好了,可以任意改變形狀來改變電磁波的輻射。
另外還有什麼用處呢?
可以做波導。
零折射率材料做拐彎波導
比如上面一副圖,在拐彎處填上零折射率材料,可以使波導任意拐彎,並且幾乎沒有任何損耗。
還能做什麼呢?
還可以做隱身衣呀。
零折射率材料隱身效果
如上圖,任何物體在零折射率中間都會被隱身。可以想想,因為在零折射率材料裏面的波長是無限長,所以物體可以認為是無限小,所以物體可以認為是被隱身了。好吧,又扯到隱身衣了。
再扯一點。
可以看看二維隱身衣最裏面一層的參數,也是零折射率介質呀(三維的也一樣)。
仔細觀察可以發現,靠近最裏面一層,電磁波的相位是一致。
還能做什麼?
還可以解決非線性光學裏面的相位不匹配問題,提高諧波的產生效率。
另外,講講物理。
零折射率材料與狄拉克點有着很深的聯繫。
比如在特殊情況下,在狄拉克點處可以認為等效的折射率為零。
用光子晶體做的零折射率材料
其實零折射率還跟拓撲絕緣體有着聯繫。我就不展開説了。
引用文獻
1. Alù, A., Silveirinha, M. G., Salandrino, A., & Engheta, N. (2007). Epsilon-near-zero metamaterials and electromagnetic sources: Tailoring the radiation phase pattern. Physical Review B, 75(15), 155410.
2. Chen, H., Wu, B. I., Zhang, B., & Kong, J. A. (2007). Electromagnetic wave interactions with a metamaterial cloak. Physical Review Letters,99(6), 063903.
3.Edwards, B., Alù, A., Young, M. E., Silveirinha, M., & Engheta, N. (2008). Experimental verification of epsilon-near-zero metamaterial coupling and energy squeezing using a microwave waveguide. Physical review letters,100(3), 033903.
4. Suchowski, H., O’Brien, K., Wong, Z. J., Salandrino, A., Yin, X., & Zhang, X. (2013). Phase mismatch–free nonlinear propagation in optical zero-index materials. Science, 342(6163), 1223-1226.
5.Huang, X., Lai, Y., Hang, Z. H., Zheng, H., & Chan, C. T. (2011). Dirac cones induced by accidental degeneracy in photonic crystals and zero-refractive-index materials. Nature materials, 10(8), 582-586.
以上。