电磁波在类石墨烯光子晶体中的传播特性研究

It exhibits novel physical characteristics when electromagnetic wave and electrons propagate in the metamaterials which are different from the common solid materials. Therefore the study of these materials and their physical properties has attracted people's attention. Recent studies have shown that Linear dispersion and Dirac cones can be obtained at the point (k=0) using a simple two-dimensional (2D) photonic crystal consisting of a square lattice of dielectric rods. In the graphene-like photonic crystal structure, the edge states are difference for different boundary types. Therefore, there will appear interface state at the interface between two graphene-like photonic crystal with different parameters. In this work, we will use the layer Korringa-Kohn-Rostoker-Ohtako method, study on problems related to the electromagnetic wave propagation in the graphene-like photonic crystals. First, we will study the interaction of photonic crystal with Dirac cones and electron beams and test the electron energy loss in the zero-refractive-index frequency. We will use the spectra of energy loss to study the edge states in honeycomb photonic crystals and the interface states formed in a heterostructure composed of two semi-infinite photonic crystals with different filling fractions.

电磁波和电子在超材料中传播时展现出许多不同于一般固体材料的新奇物理特性，使得这些材料及其物理特性的研究受到了人们的关注。最近的研究表明，正方格子光子晶体中也存在线性色散关系，即存在狄拉克点。对于带状类石墨烯结构的光子晶体，不同的边界类型其边缘态的特征也不一样，且两种不同参数的类石墨烯光子晶体的界面会出现界面态。本项目将利用层间Korringa-Kohn-Rostoker-Ohtako方法，研究电磁波在类石墨烯结构光子晶体中传播的相关问题。首先研究运动电子束产生的电磁波与零折射率类石墨烯光子晶体之间的相互作用。利用这种相互作用产生的电子能量损失谱来研究这种材料在狄拉克点附近的表面态特征，以及在零折射的频率处的能量损失特征。利用电子能量损失来研究带状类石墨烯光子晶体的边缘态，以及两种类石墨烯光子晶体的界面态特征。

超颖材料是纳米光学领域的一个研究热点，通过光与纳米结构材料相互作用，产生自然材料所不能实现的超常效应。超颖材料包括左手材料，石墨烯光子晶体材料等。本课题着眼于光与超颖材料的相互作用，从基本原理创新出发，研究不同材料，不同结构圆柱间的相互作用力，以及纳米球簇与手性分子作用的谱。经过三年的积极探索，主要研究成果归纳为以下四个方面：.1、左手材料组成的圆柱簇中的辐射压力的特性：利用多重散射理论，推导出左手材料圆柱与聚乙烯圆柱组成的系统受到的辐射压力；引入左手材料，不仅使得辐射压力增大，而且在某些频率下出现了峰值，这与场分布的结果相对应，并且这些峰值有的是由电场作用引起的，有的是由磁场作用引起的；对于多个圆柱，我们可以通过引入左手材料圆柱，使得聚乙烯圆柱受到的辐射压力增大，有峰值出现，引入的圆柱个数越多，力越大，峰值越多，这个由于左手材料圆柱间的等离震荡引起的。.2、左手材料涂层的圆柱中的辐射压力的特性：利用严格的电磁场理论，推导出双层圆柱在外部电磁场作用下的散射矩阵，并根据麦克斯韦应力张量的方法计算出双层圆柱表面受到的电磁辐射压力的一般表达式。研究结果表明对于不同涂层材料，圆柱对于入射电磁场的响应是不同的。左手材料涂层可以使圆柱受到的辐射压力明显增大，并且在某些频率出现明显的峰值，这是因为在某些频率下，左手材料使得圆柱的表面效应大大增强，增大了表面的场分布，从而增大了辐射压力。.3、石墨烯涂层圆柱的辐射压力：建立了利用COMSOL Multiphysics 软件模拟出石墨烯复电导率的方法，再利用Mie散射原理求解求解石墨烯涂层圆柱的光力的方法。.4、发展出基于电磁场多重散射理论的方法，对纳米球簇与手性分子作用的CD()谱进行了理论计算。我们分析出等离子体热点场中巨的超手性与放大的CD谱之间的对应关系。这些研究结果将为手性物质超灵敏的探测和识别提供新的思路。