科学家在日常液体中实现了相速度和群速度的光学控制

异丙醇（IPA）的介电函数实部在没有光激发的情况下（黑线）和在光激发下导致电子浓度分别为50、100和200µM（彩色线）。曲线与零线相交的频率给出极化子共振频率。信贷:MBI /博士。龙格先生

silon-near-zero（ENZ）材料因其独特的光学特性而备受瞩目。这类材料在特定频率下，光的相速度可以接近无穷大，而群速度则趋近于零，这一特性打破了传统光学介质中光速的限制。然而，ENZ材料通常只在固体和纳米工程材料中被观察到，限制了其广泛应用。近日，来自柏林Max Born研究所和新奥尔良杜兰大学的研究人员取得了一项重要突破，他们通过飞秒激光脉冲与普通液体的相互作用，成功地将这些液体转化为太赫兹（THz）频率下的ENZ材料。

研究人员利用飞秒激光脉冲对极性分子进行电离，产生自由电子。这些电子在极短的时间内被局部化或“溶剂化”，占据分子网络中的空隙，形成无序的电偶极子阵列。电子的最终位置结合能主要由电子与液体分子偶极子之间的电作用力决定。在这一过程中，电耦合作用启动了电子和附近数千个液体分子的集体振荡，形成了极化子。极化子在太赫兹范围内显示出不同的频率，这些频率由液体中电子的浓度决定。

在极化子频率处，液体的介电函数和/或折射率越过零线，这意味着在这个频率上，光的相速度接近无穷大，而光脉冲的群速度则趋近于零，这正是ENZ材料的一个典型行为特征。实验团队通过飞秒光学电离在极性液体中首次产生了电子，并以时间分辨的方式跟踪了极化子频率约为1.5太赫兹的短太赫兹脉冲在该介质中的传播。实验结果显示，与纯液体相比，相速度和群速度都发生了显著变化，脉冲包络被重塑并拓宽。

这一发现不仅提供了对太赫兹电场传播特性的深入了解，还为ENZ材料在普通液体中的实现提供了新方法。含有溶剂化电子的极性液体代表了一类具有可调谐光传播特性的新型ENZ材料，为光学、电子学和材料科学等领域的研究开辟了新的方向。

未来，这类ENZ材料可能在光通信、光存储、光传感以及超材料等领域发挥重要作用。通过调整液体中的电子浓度和极化子频率，可以实现对光传播特性的精确控制，从而开发出具有高性能和多功能性的新型光学器件和材料。此外，这种将普通液体转化为ENZ材料的方法也为其他领域的研究提供了启示，如通过调整材料的光学特性来实现特定的功能或性能。

太赫兹瞬变（左）和相应的脉冲包络（右）在不同的传播方案。信贷:MBI /博士。龙格先生

如上图清晰所示，当我们将极化子共振下方和上方传输的太赫兹脉冲（以红线标识）的传播特性，与通过真空（蓝线）和未受激发的普通液体（黑线）中传播的太赫兹脉冲进行对比时，ENZ（epsilon-near-zero）行为的独特性质便一目了然。这些特性，即光的相速度在特定频率下接近无穷大而群速度趋于零，正是ENZ材料的标志性行为，且与理论预测的结果高度一致。

在应用层面，这一发现尤为引人瞩目的一点是，通过简单地调整电子浓度，我们就能改变极化子的频率。这一特性赋予了我们前所未有的灵活性，使我们能够在大约0.1至10太赫兹的宽广频率范围内，精确调控材料的ENZ特性。这一能力为开发控制光在液体中传播的新技术开辟了道路，预示着光学传感和通信技术或将迎来重大突破。

总而言之，飞秒激光诱导下的这一发现，不仅深化了我们对ENZ材料的理解，更为探索光与物质相互作用的新机制、推动光学技术的革新提供了强有力的支持。