清华大学电子系李越团队在近零介电常数媒质的高效率超耦合效应方向取得进展

清华大学电子系李越团队在近零介电常数媒质的高效率超耦合效应方向取得进展

清华大学电子工程系李越副教授课题组在近零介电常数媒质的高效率超耦合效应研究中取得重要进展。他们提出了一种基于电磁波传输的光学掺杂方法，显著提升了超耦合效应的能量传输效率，实现了任意结构、任意尺寸的低损耗超耦合结构，在微波、毫米波和太赫兹的电路和芯片中存在潜在应用价值。

传输型光学掺杂的概念及应用：（a）基本概念，（b）降低对材料损耗敏感性的机理，（c）超耦合传输线示意图，（d）实验测试结果

近零介电常数（Epsilon-near-zero，ENZ）媒质是一类介电常数趋于零的特殊电磁媒质，呈现诸多奇特的电磁效应。其中，超耦合效应最有工程应用前景。对于理想的超耦合效应，电磁波可以无反射、无损耗、零相移地通过任意形状、任意尺寸的ENZ媒质通道，可实现具有良好传输性能的柔性微波传输线，特别在毫米波、太赫兹等高频段具有性能优势，适用于芯片与集成电路领域的应用。然而，由于ENZ媒质中的波阻抗趋于无穷，理想的超耦合需要无限窄的通道宽度，在实际应用中有极大的局限性。

2017年，美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系纳德·恩赫塔（Nader Engheta）教授和李越副教授在《科学》（Science）上合作发表论文，首次提出ENZ媒质中光学掺杂概念，通过在ENZ媒质中集成介质结构，在亚波长尺度对ENZ媒质的阻抗特性进行任意调节，实现了ENZ媒质与任意传输线的阻抗匹配。李越副教授团队在2019年的《自然·通讯》（Nature Communications）研究工作中进一步将光学掺杂概念用于超耦合效应的研究，但是该光学掺杂模式基于掺杂材料的电磁谐振，具有较大的谐振损耗，导致超耦合传输效率低于60%，仍有较大的应用局限性。

以提升超耦合效应的传输效率为目标，该研究工作提出了一种基于电磁波传输的光学掺杂方法，有效地降低了现有的传统光学掺杂方式的谐振损耗（图（b）），实现了高效率的超耦合传输。实验显示，基于传输型光学掺杂的超耦合结构，传输效率可达80%。为与典型集成电路工艺相结合，该论文提出了适合平面集成的超耦合结构，可以任意弯折和形变（图（c））。通过实验验证，观测到了高传输效率的超耦合效应（图（d）），与解析理论相吻合。

该研究成果近日以“面向高效率近零介电常数超耦合的传输型光学掺杂”（Transmission-type photonic doping for high-efficiency epsilon-near-zerosupercoupling）为题发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。

该论文的理论和实验工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文的第一单位。电子工程系博士生闫雯荻和周子恒（已毕业，现为福州大学副教授）为论文的共同第一作者，李越副教授为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目和北京信息科学与技术国家研究中心的资助。