应用磁性光子晶体控制电磁波单向传播和负折射的理论和实验研究

调节和控制电磁波(或光)传播是当代信息科学和技术中的一个重要问题。磁性光子晶体中的手性边缘态和负折射是实现控制电磁波传播的有效方法之一。本课题主要研究二维磁性光子晶体在控制电波传播中的物理过程及其实现方法。通过对磁性光子晶体手性边缘态的形成与磁性光子晶体的点阵结构、所用磁性材料和偏置磁场等的关系研究，揭示手性边缘态建立的物理过程，发现新的手性边缘态。研究由手性边缘态导致的磁性光子晶体边界上电磁波单向传播的实现方法与技术，电磁波单向传播性质与材料损耗等的关系，优化磁性光子晶体的结构设计。研究在外磁场中磁性光子晶体自身损耗和结构等因素对负折射的影响，设计低耗可调的负折射材料。通过开展相关的实验研究，验证理论结果，实现对电磁波单向传播和负折射的控制，发现新现象提出新问题。探索磁性光子晶体单向传播和负折射的可能应用，构建应用原型。

调节和控制电磁波(或光)传播是当代信息科学和技术中的一个重要问题。本课题研究利用磁性光子晶体中的手性边缘态和构造磁性负折射材料来实现对电磁波传播的控制。我们主要研究了：二维磁性光子晶体在控制电波传播中的物理过程及其实现方法；磁性光子晶体的单向边界态的形成与磁性光子晶体的点阵结构、磁性材料和偏置磁场等的相互关系，以及和单向边界态相关的实验验证；应用磁性光子晶体构建低损耗负折射材料的理论、方法和相关的实验；磁性光子晶体中的单向传播和负折射的可能应用及应用原型等。..通过对以上内容的研究工作，我们取得了下列主要研究成果：（1）在由铁氧体柱构成的蜂窝点阵磁性光子和空气的界面上，首次在实验上证实了一种与拓扑结构相关的新的手性边界态模式；实验证实了基于磁性等离子激元共振的单向边界态具有和光子晶体界面形貌无关的特性。（2）应用基于拓扑结构的手性边界态和基于磁性等离子激元共振的单向边界态构建了单向波导。利用单向边界态和光子晶体界面形貌无关的特性，实现了可任意弯曲的单向波导；通过光子晶体拓扑结构的设计，实现了一种单向慢波波导其群折射率超过15，通过修饰光子晶体边界，该波导还能实现群折射率超过2000；通过光子晶体的结构设计和调节偏置磁场，可以使微波段的单向波导带宽达到4GHz,极大地提高了现有的单向波导带宽。这些研究结果为单向波导在信息通讯领域的应用奠定了理论基础。（3）应用硬磁铁氧体阵列的体模模式，首次提出并实现了低损耗的磁性“左手”材料，其损耗是目前已知左手材料中最小的，它为“左手”材料的潜在实际应用提供了一条新的实现途径。（4）提出和研究了应用磁性超材料实现天线的定向辐射的方法；提出和研究了应用磁性纳米周期结构实现超薄型电磁波吸收材料的方法；提出并实现了利用磁性材料构建的一种新型低剖面频率可调天线。 ..上述研究工作成果已在国内外学术刊物和学术会议上发表论文24篇（其中Phys. Rev. Lett. 1篇，Appl.Phys. Lett. 4篇），申请发明专利3项，已获授权1项。先后有9名研究生参加了与课题相关的研究，一人获2011年度教育部“全国博士研究生学术新人奖”，一人获得2012年度江苏省博士研究生创新基金。毕业研究生5人，其中一人获2013年度江苏省优秀博士论文。