石墨烯等离子体晶体：能带的非线性调控和格子孤子

Due to its truly two-dimensional(2D) nature, accommodation of extremely localized/low lossy Surface Plamonic Polaritons(SPPs) and highly tunable surface conductivity coefficient as well as the unusually strong nonlinear optical effect, graphene has emerged as a very unique optical and photonic material. Graphene-based plasmonic crystal, i.e. , the periodic array of graphene layers, through the introduction of the unique and excellent optical properties of graphene into the periodic system, may provide unprecedented opportunities on the control over the light/electromagnetic waves at the nano-scale. We propose the research on nonlinear graphene-based plasmonic crystal. We aim to study the active tunability on the bandgap structure(especially the Dirac point) by using the strong nonlinear effect of the graphene, demonstrate the active control of light/electromagnetic waves at the deeply-subwavelengthed scale, as well as the optical analogy of and nonlinear manipulation over relativistic quantum mechanics effect(Zitterbewegung) originating from Dirac point . We will also study various spatial solitons in the nonlinear graphene-based plasmonic crystal and reveal their unique and novel properties, including their tunability thanks to the graphene.

石墨烯材料由于其二维特性、对强局域和低损耗的表面等离子体激元的支持、高度可调的表面电导率和极强的非线性响应特性成为一种地位非常特殊的光学材料。石墨烯的周期性排布结构（我们称之为"石墨烯等离子体晶体"），通过将石墨烯材料的上述优异光学性能引入到周期体系中，可望在纳米尺度上为有效地控制光和电磁波提供前所未有的机遇。本项目提出石墨烯等离子体晶体的非线性特性的理论研究，探索石墨烯的极强的非线性效应对周期纳米结构的各种特殊能带关系的调控特别是Dirac点的调控,研究在深度亚波长的尺度上对光束和电磁波的主动的功能性操作，以及跟Dirac点密切相关的相对论量子力学现象Zitterbewegung效应的光学模拟和非线性调控。本项目还将研究石墨烯等离子体晶体支持的空间孤子,挖掘石墨烯材料赋予它们的各种新的特性，探索其高度的可调性。

按照申请书既定目标，对基于石墨烯的等离子体晶格结构进行了线性和非线性光学特性的研究，展示了石墨烯极强的非线性效应对周期纳米结构的各种特殊能带关系的调控特别是 Dirac 点的调控, 展示了在深度亚波长尺度上对光束和电磁波的主动的功能性操作，以及跟 Dirac 点密切相关的相对论量子力学现象 Zitterbewegung 效应的光学模拟和非线性调控。项目执行过程中还按照既定目标研究了石墨烯等离子体晶体支持的空间孤子。此外，在圆满完成既定研究目标的基础上，我们进一步地将石墨烯的真实结构替换成石墨烯状的光子晶格，研究了基于石墨烯晶格和 Dirac 点相关联的线性和非线性拓扑光学现象。.研究成果展示了基于石墨烯的等离子体晶体的产生，以及基于石墨烯的光学超晶格在电学和光学上的可调性，为执行可调纳米光子学提供了一个可能的平台。