近零參數電磁超構材料的設計與性質研究

《近零參數電磁超構材料的設計與性質研究》是依託蘇州大學，由須萍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：近零參數電磁超構材料的設計與性質研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：須萍
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

近零參數電磁超構材料是近來國際上的一個新興的研究熱點。本項目我們將深入地研究複雜缺陷對材料透射性質的影響、非局域效應、截斷的結構的表面上的微結構等對近零參數電磁超構材料的影響。在此基礎上，我們將金屬的吸收損耗以及表面等離激元帶來的非局域效應考慮在內，發展改進有效介質理論，力圖更精準地計算出其有效介質參數，來幫助我們設計構建近零參數超構材料的實際結構。我們還將考慮設計基於電介質光子晶體的近零參數超構材料，有望突破以往金屬超構材料高損耗長波段的局限，我們將採用多重散射和有限元方法來研究這種新型近零參數超構材料在波導、波前控制等方面的套用以及空間反演對稱和時間反演對稱破缺所導致的新穎的物理現象。對於近零參數電磁超構材料的研究尚處於比較初級的階段，仍有不少有待探索的有趣的物理現象。通過本項目的研究將豐富和深化對該領域物理的理解，有望設計出具有實用價值的低損耗近零參數超構材料。

結題摘要

本項目我們採用多重散射和有限元方法深入研究了複雜缺陷、非局域效應等對近零參數電磁超材料透射性質的影響。我們考慮金屬的吸收損耗和表面等離激元導致的非局域效應，發展有效介質理論計算超材料的有效參數，突破有效介質理論在長波下有效的局限，幫助設計超材料的微結構。 我們細緻地研究了含具有殼層結構缺陷的近零參數超材料的透射性質。缺陷圓柱體外包裹的薄薄的介電殼層會給透射性質帶來大的影響，通過調整介電缺陷的折射率來實現控制電磁波在超材料中的傳播。這種結構可套用於超靈敏的光學感測和開關。我們在一個任意形狀的ENZ材料構成的兩維結構中嵌入介電缺陷，發生缺陷共振，在缺陷里形成駐波。當駐波的某個波節點落在缺陷的邊界上，磁場為0。由於ENZ材料中磁場均勻，因此整個超材料中磁場為0，可以實現全形度的完美磁導體，並且ENZ超材料中的缺陷的形狀可以是任意的。 我們設計金屬-介電多層膜結構實現各向異性近零折射率超材料，由於結構中的表面等離子共振，導致場分布的不均勻性，傳統的有效介質理論已不能適用。我們推導得到超材料的有效參數，並且研究發現零折射率的有效介質的非局域效應導致產生兩支交叉的拋物線的色散曲線。通過改變材料結構的參數，我們發現有效的非局域效應和由此引起的拋物線色散關係都在隨之發生改變。我們進一步證明了群速度的方向同時相反，使得出現了全形度的負折射現象。和雙曲線的色散關係相似，拋物線的色散關係也可以使入射的倏逝波轉變成行波，可以實現亞波長成像，突破了衍射極限。我們發現各向異性近零介電常數材料可以被用於控制電磁波的傳播，實現近乎完美的彎曲波導。彎波導的透射係數可以接近100%，損耗很低。這是阻抗匹配的界面，特殊的表面波和超材料的本徵模共同作用的結果。我們利用鐵氧體材料，並結合其他材料構建可通過磁場調控的零折射率超材料，破壞時間反演對稱。當外加磁場為一固定數值的時候所設計的超材料有效折射率為0，電磁波可以無反射地通過這個結構；當外加磁場偏離這個數值後，電磁波的透射率明顯下降，由此可以實現開關的功能。基於近零超材料我們還設計了一結構實現信號的調製解調。 我們在國家自然科學基金的資助下開展了富有特色的研究工作，並取得了很好的研究成果，達到了課題的預期目標。通過後續的研究，有望設計出具有實用價值的低損耗超材料，並進一步繼續研究利用超材料進行多功能光子器件的設計。希望今後能夠繼續得到基金委的資助。