零折射率人工光电超构介质的前沿研究

人工超构介质(metamaterial)原则上能够实现几乎任意的电磁参数，极大地拓展了电磁介质的特性参数范围，为人们提供了更大的调控电磁波的空间。零介于负值和正值之间，是一个奇异值，由此可以预料零折射率超构介质必然会导致新现象、新应用。本项目将对零折射率超构介质进行系统的研究。在材料上我们将设计实现低损、相对宽带的零折射率超构介质，其介电常数/磁导率各向同性或各向异性（含有零分量）以满足实际需要。在对波的调控上，将研究利用零折射率超构介质实现光源的方向性辐射并增强其辐射能力；利用零折射率超构介质大大增强磁场；利用零折射率超构介质强放大入射波及增强非线性效应；在此基础上探索其它新现象、新应用。本项目以光频零折射率超构介质研究为主，同时为了方便实验验证，也开展微波段零折射率超构介质的研究。本项目的这些研究对发光器件、强磁、有源器件、非线性光学等领域具有重要潜在价值。

人工特异电磁介质的出现大大拓展了电磁介质的特性参数范围，零折射率材料作由于其电磁参数具有奇异值这一属性，有着更加特殊的电磁特性和应用。本项目中，我们主要研究了零折射率材料的理论分析和设计方法，并进行了超薄吸波、慢波、波形和辐射调控、场增强和非线性效应等具有广阔应用前景的研究。在超薄吸波方面，我们实现了厚度仅百分之一波长量级的磁导率近零超材料的吸波材料，样品比传统吸波材料薄33%，轻98%。同时实验验证了置于金属面上的超薄各项异性的介电常数近零材料可以完美吸收电磁波。在慢波方面，我们揭示了“静止彩虹”的真相，通过理论分析和实验结果发现，入射能量能够在光速零点附近停留一段时间，使光场局域增强，但由于模间耦合作用机制，入射能量最终反向流出人工电磁媒介波导, 澄清了误导了学界多年的“静止彩虹”. 在辐射调控方面，我们基于变换光学和人工特异电磁表面等设计方法，实现了对电磁波波前，偏振的调控。在场增强和非线性效应的研究中，我们通过非共振结构实现了静磁场的增强，大梯度磁场以及通过波导实现基于石墨烯的非局域效应。部分成果发表于ACS Nano，Laser & Photonics Reviews等高质量的国际期刊中,还有一些成果属于ESI高被引文章。..本项目的研究成果大大加深了对零折射率材料物理特性的认识，突破了原有的设计思路，扩展了零折射率材料的应用范围。通过该项目培养了一支稳定的研究团队，为下一步继续研究打下坚实基础。