石墨烯特异介质表面对电磁波的动态调控

Metamaterials (MTM) have been extensively studied due to their stronger abilities to manipulate EM waves, and great achievements were obtained. However， MTM research meets bottelneck recently, since the meta-atoms constructred with traditional metals exhibit poor tunability and can not be deep-subwavelength. Graphenen can be a good candidate to solve the above two issues, since it has tunable surface plasmon properties and deep-subwavelength responses. Consequencetly, graphene-based MTM is becoming a hot topic in MTM field. Based on our past excellent accumulations on MTMs and metasurfaces, and in collaboration with in-campus expert in graphene field, we propose here to study the physical properties of graphene-based MTSs and their active manipulations on EM waves, through combining theory, numerical simulation, micro and nano fabrications and experimental characterizations. To this end, we plan to conduct the following three parts of research: 1) Combining meta-surfaces with a continuous and unstructured graphene layer to realize active and efficient controls on EM waves; 2) Studing the couplings effects and physical applications of coupled systems combining a structured graphene and a meta-surface; 3) Based on the above two parts of research, designing and fabricating certain THz devices to experimentally realize ative manipulations on THz waves.

电磁特异介质因其对电磁波的强大调控能力，引发了国际上的研究热潮。基于常规金属构建的特异介质在取得巨大成就的同时也碰到了发展的瓶颈："人工原子"的亚波长性难以保证和体系的动态可调性差。石墨烯具有动态可调的等离激元共振和超亚波长的光学响应，因而成为解决上述问题的理想材料，石墨烯特异介质也逐渐成为特异介质研究的一大热点。申请人拟利用自身多年来在特异介质研究方面的工作积累，通过与在石墨烯领域作出重大贡献的合作者的密切合作，结合理论、模拟、制备和实验，研究石墨烯特异介质表面对电磁波的动态高效的调控。为此我们将由简入繁地开展如下研究：1）将整片无结构的石墨烯与特异介质表面相结合，探索其对电磁波动态调控的机理及应用；2）将刻有微结构的石墨烯与特异介质相结合，研究两种等离激元之间的耦合机理及应用；3）面对实际应用需求，基于上述两部分研究结果，设计并实现部分动态可调的太赫兹器件雏形。

本项目针对传统超构材料动态可调性差这一关键科学问题，基于石墨烯超构表面展开了系统研究，取得了一下几个方面的研究成果：1）揭示金属/介质/金属三明治型超构表面功能多样化的物理根源，利用石墨烯超构表面实现大幅动态调控电磁波相位,并实现了一批太赫兹可调功能性器件。团队在完成项目既定目标的同时，还根据本领域研究热点和团队科研优势开展了以下超构材料相关研究：2）基于变容二极管构建的可调人工原子实现了一系列微波高效可调超构表面功能性器件；3）基于偏振依赖电磁超构表面实现对电磁波的高效多功能调控；4）利用几何相位超构表面实现对手性光的高效调控；5）基于超构表面实现对表面波的高效调控；6)超构表面中角度色散的理论和实验研究；7)超构表面相关的合作拓展研究。. 在本项目支持下，团队共发表SCI 论文36篇，其中包括Physical Review X 1篇，Physical Review Letters 1篇，Light：Science & Applications 3篇，Physical Review Applied 3篇，Advanced Optical Materials 3篇，ACS Photonics 1篇，Annalen der Physik 1篇等高影响力论文，获得8项国家发明专利授权，主办国内外学术会议三次，应邀46次在国际学术会议上做邀请报告，20余次作为组委会委员参与相关国际会议组织，培养博士研究生7人。本项目部分研究成果已经与实际应用相结合，解决了军民应用方面的实际问题。本项目的科研成果不仅具有非常重要的基础科研价值，大大提升了团队在超构材料研究领域的国际影响力，而且在国防、信息等领域取得了重要的实际应用。. 团队相关研究内容于2016年荣获上海市自然科学一等奖。项目负责人于2015年宝钢优秀教师奖，2016年获上海市自然科学牡丹奖和美国光学学会青年科学家奖，2017年入选上海市领军人才和科技部中青年科技创新领军人才，获得美国物理学会杰出审稿人称号，2018年入选美国光学学会会士。