超构材料电磁散射的时空调控问题研究

Metamaterials, artificially structured electromagnetic (EM) materials, have enabled the realization of many unconventional electromagnetic properties not found in nature, such as a negative refractive index, magnetic response, invisibility cloaking, etc. In recent years, more and more efforts have been devoted to dynamic modulations on electromagnetic scatterings of metamaterial array, especially those with spatially varied effective constitutive parameters. However, there are no experimental verifications on all-optic computation, quantum analog simulating based on dynamic modulation with metamaterial. In this project, we propose all optic switching, Bloch oscillations, and quantum analog computing with temporal and spatial modulation on metamaterial for chip-scale functionalities. Related research might shed light on electromagnetic informatics, as well as initial attempt on protocol of future wireless communication technology.

超构材料是指一类由亚波长谐振结构单元构建、用于调控光波、电磁波的人工结构阵列，用于实现自然界材料无法企及的电磁性能，例如负折射率, 人工磁性, 隐形衣等等。近年来，等效本构参数空间分布和动态调控的超材料电磁散射研究开始方兴未艾，然而基于时空调控的全光运算和类量子逻辑模拟运算功能还没有得到实验验证。我们提出，通过超材料体系等效参数的空间分布和动态调控，可以实现全电磁开关、布洛赫振荡、量子模拟运算等系列新功能。相关研究是未来基于超构材料的信息电磁学理论探索，也为该技术体系协议的建立提供可能的解决途径。

本课题围绕超构材料阵列的局域结构参数和长程结构参数空间变化形成的光子规范势开展研究，重点开展在含时动态调控条件下，类电子输运行为、类量子输运行为、和空间信息超分辨效应三个方面的研究工作。按照研究计划，本课题主要在超构材料体系动态调控基础理论、超构材料体系微波频段动态调控演示平台和新效应以及信息电磁学新应用等研究内容。具体而言本课题开展了超构材料量子计算的光学模拟研究、快速光束操控的液晶-高分子光栅和有源光束调控研究、基于宇称-时间（PT）对称性的纳米天线机理研究、基于超表面体系的电磁波调控机理与应用研究等四个方面的研究工作。本课题通过以上研究内容，建立了超构材料体系电磁规范势场时空动态调控理论，同时在实验上验证了超构材料中布洛赫振荡、类量子模拟运算等效应，同时获得了空间信息超分辨和信道密集复用机理等。项目研究成果丰富，达成了项目约定的研究目标。相关研究成果在国际学术期刊发表论文13篇，同时基于研究内容还申请了国家发明专利10项。在本课题支持下，课题组积极参加国际学术会议等学术交流活动2项。在项目研究工作开展的同时，开展了研究生培养工作。通过对具体科研课题的研究，锻炼了学生在提出问题、分析问题以及解决问题的能力，最终获得综合性的独立自主开展科学研究的能力。课题执行过程中，研究经费严格按照预算执行，合理地完成了经费预算约定的相关内容。