可见光频段层状 epsilon-near-zero 超材料增强的非线性光学响应

介电常数趋近于零（称为 epsilon-near-zero (ENZ) 材料）的光学材料已被证明在其 ENZ 区域内具有增强的非线性光学响应。这些强非线性光学性质在均匀材料中已得到确证；然而，具有有效光学参数的超材料是否能表现出类似的增强尚不清楚。在此，我们探测了一种由 Ag 和 SiO$_2$ 亚波长周期交替层堆叠构成的光学 ENZ 超材料，并在其有效零介电常数波长处测得非线性折射率 $n_2 = (1.2 \pm 0.1) \times 10^{-12}$ m$^2$/W 和非线性吸收系数 $\beta = (-1.5 \pm 0.2) \times 10^{-5}$ m/W。测得的 $n_2$ 是熔融石英 $n_2$ 的 $10^7$ 倍，是银的 $n_2$ 的四倍。我们观察到 $n_2$ 中的非线性增强按 $1/(n_0 \mathrm{Re}[n_0])$ 缩放，其中 $n_0$ 为线性有效折射率。与均匀 ENZ 材料（其光学性质由本征材料属性决定因而难以广泛调谐）不同，所展示的超材料的零介电常数波长可通过选择亚波长层的合适厚度而位于可见光谱内的任意位置。因此，我们的结果为设计在任意指定光波长下用于纳米光子学应用、具有大非线性的超材料提供了一种途径。