環(huán)磁極矩（toroidal moment）是一種由圓環(huán)體上沿經(jīng)線流動的電流或者首尾相接的磁偶極矩產(chǎn)生的電磁激勵，由于強(qiáng)度較弱，它往往被電極矩和磁極矩所掩蓋，難以被直接觀測。直到2010年，人們才利用超材料結(jié)構(gòu)在微波波段實現(xiàn)了動態(tài)環(huán)磁極矩主導(dǎo)的電磁響應(yīng)。動態(tài)環(huán)磁極矩具有非凡的電磁能量局域能力與輻射抑制能力，因此高品質(zhì)因子的環(huán)磁極矩在等離激元激光、傳感、旋光、負(fù)折射率等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。但是在高頻波段，由于受到材料結(jié)構(gòu)與空間調(diào)制能力的限制，實現(xiàn)具有實用價值的環(huán)磁極矩共振超材料還面臨諸多困難。
近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）微加工實驗室一直致力于3D微納結(jié)構(gòu)的加工方法和器件應(yīng)用研究。他們發(fā)明了一種基于聚焦離子束的應(yīng)變誘導(dǎo)3D微納米結(jié)構(gòu)加工新方法，可以將一維和二維材料進(jìn)行不同程度的多次有序折疊，實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)單元在空間、尺寸、周期與幾何形貌可調(diào)制的大面積可控加工。
最近，該實驗室博士劉哲以及研究員李俊杰和顧長志等人將這種折疊式3D結(jié)構(gòu)的材料從金屬納米線和納米薄膜擴(kuò)展到金屬/介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，以透明SiNx薄膜為骨架，利用聚焦離子束應(yīng)變誘導(dǎo)折疊加工工藝，將微米尺寸的金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在3D空間以不同的開口方向和空間位置進(jìn)行組合，獲得具有高構(gòu)型自由度的3D光學(xué)超材料。在垂直方向入射光的激發(fā)下，金屬諧振環(huán)產(chǎn)生LC共振，不同開口方向諧振環(huán)的共振模式發(fā)生耦合，導(dǎo)致磁偶
極矩沿環(huán)形首尾相接，形成環(huán)磁偶極共振。該環(huán)磁共振位于中紅外波段，且品質(zhì)因子高達(dá)20.78，是在光頻波段已有報導(dǎo)的最高值。
通過分析磁偶極矩的輻射能量譜，他們觀察到在共振頻率處TZ取得最大值，證明了環(huán)磁偶極共振的存在。為了使環(huán)磁偶極輻射的強(qiáng)度高于電偶極和磁偶極，他們利用斜入射的TM波進(jìn)行激發(fā)，發(fā)現(xiàn)隨著入射角度的增加，TZ輻射分量逐漸增強(qiáng)，并且在75°入射角時其輻射強(qiáng)度超過電偶極和磁偶極，同時仍保持較高的品質(zhì)因子。這一結(jié)果證明了利用折疊式3D結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高品質(zhì)因子環(huán)磁偶極共振的可能性，顯示出在高性能傳感和等離激元激光等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景
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