透明光学材料折射率的基本极限
光学
2021-03-30 v1
摘要
提升光学与纳米光子系统可用折射率可为设计开辟新视野：从宽带超透镜到超薄光伏器件再到高品质因子谐振器，更高折射率直接带来功能更强、性能更优的器件。尽管标准透明材料在可见光下的折射率一直局限于小于 3，近期的超材料设计已实现高于 5 的折射率（伴随高损耗），且在铁电钙钛矿的相变附近据称实现了高于 26 的宽带折射率。本工作中，我们推导了任意材料折射率的基本极限，仅给定底层电子密度以及最大允许色散或最小感兴趣带宽之一。Kramers–Kronig 关系给出了任意无源（因而因果）材料的表示，且一已知求和定则约束了振子强度的可能分布。在小幅至中等色散领域，我们的界限被广泛天然材料逼近而未被超越，表明自然已在折射率与色散上近乎达到帕累托前沿。令人惊讶的是，我们的界限显示出对电子密度的立方根依赖，意味着在所有可见光频率上实现 26 的折射率大概不可能。反之，对于窄带宽应用，自然并未提供我们界限所暗示应可能存在的高度色散、高折射率材料。我们利用复合材料理论辨识出可展现小损耗且折射率较当前最佳材料显著增大的金属基超材料。
引用
@article{arxiv.2103.15697,
title = {Fundamental limits to the refractive index of transparent optical materials},
author = {Hyungki Shim and Francesco Monticone and Owen D. Miller},
journal= {arXiv preprint arXiv:2103.15697},
year = {2021}
}