Si基增益損耗型時空對稱性超材料新物理效應的研究

《Si基增益損耗型時空對稱性超材料新物理效應的研究》是依託南京大學，由盧明輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：Si基增益損耗型時空對稱性超材料新物理效應的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：盧明輝
• 依託單位：南京大學

項目摘要

以光子晶體、超材料為代表的人工微結構光電功能材料已在許多領域實現了對光波的有效調控，推動了光子集成器件的發展。區別於傳統人工材料主要研究有效折射率的實部對光散射的影響，本申請重點關注折射率的虛部（材料的損耗以及增益）所產生的奇異光學效應。1.通過復空間折射率的設計，研究新型時空對稱複合材料，設計出性能更理想的相干完美吸收體，深入研究完美相干吸收的物理機制，設計出完美吸收器件，為新一代光伏和光電探器件提供研究基礎。2.在已經初步掌握設計並實驗上實現相干完美吸收的基礎上，進一步考慮新型雷射器的設計，如PT對稱的雷射器，並且利用磁控濺射等實驗手段實現之。總之，通過對整個折射率復空間的設計和調控，不僅可以模擬開放量子系統諸如量子相變的基本問題，還可實現諸如光的單向傳輸、完美相干吸收等新奇物理效應，最終可為下一代集成光子器件提供新原理和新方法。

結題摘要

以光子晶體、超材料為代表的人工微結構光電功能材料已在許多領域實現了對光波的有效調控，推動了光子集成器件的發展。區別於傳統人工材料主要研究有效折射率的實部對光散射的影響，本項目則重點關注折射率的虛部（材料的損耗以及增益）所產生的奇異光學效應。 主要研究內容為：1. 研究時空對稱性、時間反演和相干吸收等基本量子原理，研究量子態和對稱性的關係，並研究光學、聲學人工帶隙材料中奇異點的量子相變效應和量子演化的物理規律；2. 在奇異點處研究如何利用時空對稱超構材料來調控光與物質相互作用；3. 在物理器件上，設計基於時空對稱超構材料的新型器件，例如高性能探測器、拓撲保護的波導、光柵分光器件和隔離器件。本項目執行期間取得了如下的重要成果：1.首次實現了無閾值的宇稱-時間對稱性破缺的布洛赫振盪現象，並發現由此導致的二次輻射。2.提出了一種由壓電／壓磁超晶格構成的時間反演破缺的“光拓撲絕緣體”模型，研究了該系統中光子（玻色子）的拓撲分類及對稱性保護的物理機制。3.對於傳統單一偏振的縱波，實現了一種類Kramers贗自旋簡併的聲波自旋霍爾效應、首次實驗實現二維、三維聲拓撲絕緣體及觀測到聲自旋依賴的螺旋傳播邊界態等。 本項目在宇稱-時間對稱光子學方面的研究結果拓展了微結構材料及物理效應的研究領域，為研究開放的量子系統發展了一類新的實驗體系，也為研究光子玻色系統的拓撲效應提供了研究平台，為光電子器件，特別是光子集成晶片、光電探測器、LED發光器件、納米雷射器件、光電互聯等新興領域的套用，開拓了新思路，最終可為下一代集成光子器件提供新原理和新方法。本項目在對稱性保護的拓撲光子和聲子態的工作，為在人工帶隙材料中研究巨觀類量子效應提供了相應的基礎和新的研究平台。課題在聲子帶隙材料和聲超材料方面的研究，拓展了聲學材料種類，為這類新型人工材料在隔聲、吸聲、聲聚焦、成像、隱身、通訊和電聲轉換器件等套用方面提供了理論基礎和實驗依據。