最近幾年納米光子學領域中有一個特別火的分支——電磁感應透明（EIT），通過設計周期性超材料結構，借助經典光學中現象和量子系統中概念來實現EIT。這種方法為新型光學元件開辟了無限可能的應用前景，例如 慢光效應，高靈敏度傳感器和非線性器件。特別是，對超材料中EIT的光學控制有望在光學網絡和太赫茲通信中提供必要的應用機會。這種器件也可用于光學延遲和太赫茲有源濾波。
COMSOL在納米光學和納米器件設計上一直應用相當廣泛，它可以模擬仿真納米光學領域里的各種遠場光學譜線以及近場光學分布。首先通過COMSOL對納米光子學器件進行設計，然后根據計算遠場譜線對器件性能進行優化，最后根據優化的結果再開展相關實驗，對于實驗過程中物理機制理解，可以根據近場電磁分布進行具體分析。因此，COMSOL在納米光子學領域應用及其泛，同時這個領域也是現在特別熱的研究方向。
今天，給大家分享一篇發表在Nature communications上的工作（Naturecommunications, 2012, 3: 1151.）。本篇論文主要是電磁仿真模擬設計了金屬超材料結構，并通過實驗上觀察到了EIT現象，首次系統進行光學結構中EIT研究。因此，介紹原作者如何通過仿真模擬在太赫茲超材料中設計和仿真主動控制EIT現象。
圖1（a）超材料的一個周期單元的示意圖。幾何參數分別為：L = 85，l = 29，s = 7，w = 5，h = 495，g = 5，Px =80和Py =120μm。（b）超材料的顯微圖像。 比例尺，100μm。（c）EIT測量的實驗示意圖。（d）中的插圖分別是從左到右的唯一切斷電線結構（CW），開環諧振器（SRR）對和EIT超材料的幾何結構。測量的唯一CW（粉紅色），SRR對（橙色）和EIT超材料樣品（橄欖色）的幅度透射光譜。
電磁感應透明是一種量子干涉效應，發生在三能級原子系統中，在寬吸收光譜范圍內產生清晰的透明窗口。在遠場譜線的設計是上就是當一個寬光譜遇到一個窄光譜或者無信號背景，兩個物理過程會發生強的耦合現象，寬光譜會產生劈裂形成電磁感應透明現象，如圖1d。寬光譜是對應的狀態是亮態（CW結構），窄光譜或者無信號背景對應的狀態是暗態（SRR對結構），換句話說就是電磁里面亮態和暗態的耦合產生的EIT現象。這種效應顯著地改變了其他不透明介質的色散特性，這種特性會導致慢光現象和增強的非線性效應。圖1中利用COMSOL進行太赫茲EIT結構的設計，根據設計的物理基礎，不斷優化結構參數，直到出現圖1d中EIT現象，對應的太赫茲超材料結構就如圖1所示。
圖2. （a）測量的發射時域信號和（b）相應的歸一化傅里葉變換幅度譜。 （c）各種阻尼率的理論擬合結果。 （d）具有不同Si島電導率的EIT超材料的歸一化光譜的數值模擬結果。
圖2中主要給出了是實驗上觀測到的（圖2a-b）、理論解析計算出來（圖2c）的和數值模擬仿真（圖2d）出來的EIT現象。根據這幾組數據的對比，可以得到實驗、仿真模擬、理論計算三部分相互自恰，使整體結果更具有說服力，大大提升了文章檔次?，F在遠場數據非常完美，但更深的物理機制或者更形象的電磁過程，卻一直不被理解，這樣再利用CST 或者COMSOL進行EIT現象近場分析，這是實驗和理論解析計算都給不出來的，突出了CST 或者COMSOL等仿真模擬強大的不可替代性。
圖3 相應的光學激發下近場分布：（a）0mW（σSi= 160Sm-1），（b）1,000mW（σSi= 3,000Sm-1）和（c）1,350mW（σSi= 4,050Sm-1）。比例尺，10μm。
圖3清晰的給出在不同耦合強度下EIT近場電磁分布，a圖時耦合最強的狀態，可以清晰的看到曾經處于暗態的SRR對在耦合作用下，電磁場強度非常明顯，這是由于亮態的CW把能量給了SRR對。b圖是耦合較弱的狀態，暗態的SRR和亮態的CW都有較強的電場分布。c圖是幾乎不發生耦合的狀態，因此，暗態SRR上幾乎沒有電磁場，而亮態CW會有特別強的電磁分布。所以，EIT現象的近場分布會清晰的展示出發生耦合過程的物理機制。
最后，本篇工作數值模擬在設計太赫茲超材料中EIT現象上起到了關鍵的作用，該工作集數值仿真模擬和完美的實驗結果于一身，因此最終發表在Naturecommunications上。
我們可以看到，COMSOL等電磁仿真軟件在遠場光譜計算和近場電磁分布的計算上，可以實時的結合在一起，實現非常強大的仿真功能，既能夠遠場和實驗譜線進行完美擬合，又能通過近場電磁分布解釋物理機制，可以讓科研成果更有說服力，是一款提升文章檔次的科研利器，相信COMSOL在未來設計各種納米光學結構和理解電磁物理機制上會發揮其越來越重要的作用。
