《本徵型光頻超常電磁介質材料的研究》是依託清華大學，由周濟擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：本徵型光頻超常電磁介質材料的研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：周濟
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
基於人工結構（metamaterials）的超常電磁介質具有新穎物理性質和重要的套用前景，近年來引起了越來越多的關注，並逐漸向高頻方向發展。然而，這類人工結構材料在光學頻段面臨著加工技術、物理學和材料學極限。為了突破這些極限，發展可在光頻下工作的超常介質，本項目提出了利用材料自身結構實現超常電磁回響的研究構想。擬重點研究三類物理機制引起的光頻超常回響：（1）極化激元引起的負介電常數行為及其介電常數的強各向異性導致的負折射行為；（2）電子的電偶極躍遷和磁偶極躍遷與光場的共振耦合引起的超常電磁極化行為；（3）強各向異性層狀化合物對光傳播調製引起的負折射。擬從理論和實驗兩方面尋找並製備滿足實現上述三類機制的材料系統；研究材料的結構與其電、磁、光性質、特別是其超常電磁特性的關係；研製出若干種基於上述機制的電磁介質材料；為發展非人工結構的光頻左手材料、零折射材料及超隱身系統提供理論和實驗基礎。
結題摘要
基於人工結構的超常電磁介質具有新穎物理性質，近年來引起了越來越多的關注，並逐漸向高頻方向發展。然而，這類人工結構材料在光學頻段面臨著加工技術、物理學和材料學極限。為了突破這些極限，發展可在光頻下工作的超常介質，本項目提出了利用材料自身結構實現超常電磁回響的研究構想。對極化激元引、電子的電偶極躍遷和磁偶極躍遷、以及強各向異性層狀化合物對電磁波的超常電磁回響開展研究，探索了材料的結構與其超常電磁特性的關係，為發展非人工結構的光頻左手材料、零折射材料及超隱身系統提供了理論和實驗基礎。該項目已取得的成果包括： （1）基於經典的晶格動力學理論，將其介電回響套用於超常電磁介質的設計中，首次提出了利用極性晶格振動來實現紅外波段的本徵超常電介質的構想。提出了通過連續改變晶體的成分，達到對晶體橫模頻率的調控，從而實現對超常介電常數進行調節的基本理論。採用螢石結構固溶體，演示了材料本徵超常介電常數隨成分的可調性；基於上述螢石結構固溶體的介電參數，設計了五人工結構的環形和地毯式兩種電磁隱身斗篷；在有效媒質理論的基礎上，提出了採用CaTiO3介質棒作為電單元，將其與具有負的有效磁導率的Mie諧振LiTaO3顆粒複合，實現了THz頻段的全介質左手材料。 （2） 率先利用稀土離子的電子共振躍遷機制實現光頻的超常電磁回響。根據半經典理論分析了稀土摻雜晶體中的二能級電子躍遷過程，獲得了電磁參數與躍遷參數、稀土離子濃度的數學關係。計算結果表明：在躍遷頻率處可以產生電諧振或磁諧振，且隨摻雜濃度增加，諧振強度和諧振區寬度均增大；利用Sm和Yb共摻雜釔鋁石榴石晶體，同時實現了960 nm處的電諧振和磁諧振，獲得了頻寬為0.57 MHz的負折射區。(3) 通過對具有層狀結構晶體的介電性能的研究、對磁諧振單元陣列材料的磁導率的研究，提出了基於自然晶體中本徵的非正定電介質以及基於超材料的非正定磁介質。首次在自然材料（包括石墨單晶、MgB2單晶、銅基高溫超導材料以及鍶釕氧Ruddlesden-Popper相材料等層狀晶體化合物）中發現了非正定介電張量及其負折射行為，分析了這些材料的非正定介電常數並預測了可以發生負折射的頻段。對目前已發現的自然非正定介質的機理進行了分類，歸納和總結。這一工作改變了非正定介質必須通過人工結構實現的觀念。
