外场调控下的特异电磁材料的理论设计与特性研究

特异电磁材料（metamaterials）是采用亚波长微结构单元（制备材料通常为金属）构造的人工合成材料，它能表现出自然界常规电磁介质所不具备的奇异光学性质。本项目拟采用磁性柱/球为基本的结构单元，设计可以通过外加磁场调控的新型特异电磁材料，具体的研究内容包括：（1）以多重散射理论KKR和等效介质理论相干势近似CPA为基础，发展一套适用于该体系的理论方法和相应的计算程序；（2）通过调整外加磁场、填充比、空间构型、以及构成材料设计具有单负、双负（负折射）、以及折射率为零的特异电磁材料，并计算其等效电磁参量；（3）对体系所固有的磁表面等离子体共振的性质和行为进行深入探讨，并将其与金属表面等离子体共振进行比较；（4）探索该特异电磁材料用于制备超棱镜、单向波导、以及完美吸收器等光学器件的可能性及外场对其的调控行为，利用双负特性还可以探讨基于变换光学的器件设计。

根据本项目所提出的研究课题，我们开展了一系列的研究，基本完成了项目中的各项内容，研究成果主要包括三个方面：(1) 基于铁磁散射体为基本的共振单元来设计特异电磁介质，称其为磁性特异电磁介质。由于该体系能够破坏时间反演对称性，我们在磁表面等离激元共振附近观察到明显的非对称散射现象，以此为基础我们还设计了可调控的、强抗干扰的单向电磁波导。在实验上，我们也对各种电磁波性质进行了验证。而且，针对于光束我们还观察到非对称反射，并利用强吸收铁磁材料设计了单向完美吸收器，并对其物理背景给出了详细的阐述。(2) 在本课题的研究中，我们还增加了本领域内最新的体系光学黑洞的探讨，并给出严格的理论求解，对相关现象也给出了完美的解释。而且，我们还提出了基于特异电磁介质的设计方案，采用该体系构建了全方向吸收器。(3) 基于介质散射体低吸收的特点，我们设计了可在光频段工作的亚波长波导，通过激发散射体的共振，我们还利用散射体阵列实现了对光束反常控制。.本项目的研究成果为我们下一步更为深入研究特异电磁介质的电磁波性质奠定了坚实的理论基础，而且，它对于微波集成光路的设计以及光频段亚波长器件的设计具有重要的指导意义。