本征型光频超常电磁介质材料的研究

基于人工结构（metamaterials）的超常电磁介质具有新颖物理性质和重要的应用前景，近年来引起了越来越多的关注，并逐渐向高频方向发展。然而，这类人工结构材料在光学频段面临着加工技术、物理学和材料学极限。为了突破这些极限，发展可在光频下工作的超常介质，本项目提出了利用材料自身结构实现超常电磁响应的研究设想。拟重点研究三类物理机制引起的光频超常响应：（1）极化激元引起的负介电常数行为及其介电常数的强各向异性导致的负折射行为；（2）电子的电偶极跃迁和磁偶极跃迁与光场的共振耦合引起的超常电磁极化行为；（3）强各向异性层状化合物对光传播调制引起的负折射。拟从理论和实验两方面寻找并制备满足实现上述三类机制的材料系统；研究材料的结构与其电、磁、光性质、特别是其超常电磁特性的关系；研制出若干种基于上述机制的电磁介质材料；为发展非人工结构的光频左手材料、零折射材料及超隐身系统提供理论和实验基础。

基于人工结构的超常电磁介质具有新颖物理性质，近年来引起了越来越多的关注，并逐渐向高频方向发展。然而，这类人工结构材料在光学频段面临着加工技术、物理学和材料学极限。为了突破这些极限，发展可在光频下工作的超常介质，本项目提出了利用材料自身结构实现超常电磁响应的研究设想。对极化激元引、电子的电偶极跃迁和磁偶极跃迁、以及强各向异性层状化合物对电磁波的超常电磁响应开展研究，探索了材料的结构与其超常电磁特性的关系，为发展非人工结构的光频左手材料、零折射材料及超隐身系统提供了理论和实验基础。. 该项目已取得的成果包括：. （1）基于经典的晶格动力学理论，将其介电响应应用于超常电磁介质的设计中，首次提出了利用极性晶格振动来实现红外波段的本征超常电介质的构想。提出了通过连续改变晶体的成分，达到对晶体横模频率的调控，从而实现对超常介电常数进行调节的基本理论。采用萤石结构固溶体，演示了材料本征超常介电常数随成分的可调性；基于上述萤石结构固溶体的介电参数，设计了五人工结构的环形和地毯式两种电磁隐身斗篷；在有效媒质理论的基础上，提出了采用CaTiO3介质棒作为电单元，将其与具有负的有效磁导率的Mie谐振LiTaO3颗粒复合，实现了THz频段的全介质左手材料。. （2) 率先利用稀土离子的电子共振跃迁机制实现光频的超常电磁响应。根据半经典理论分析了稀土掺杂晶体中的二能级电子跃迁过程，获得了电磁参数与跃迁参数、稀土离子浓度的数学关系。计算结果表明：在跃迁频率处可以产生电谐振或磁谐振，且随掺杂浓度增加，谐振强度和谐振区宽度均增大；利用Sm和Yb共掺杂钇铝石榴石晶体，同时实现了960 nm处的电谐振和磁谐振，获得了带宽为0.57 MHz的负折射区。. (3) 通过对具有层状结构晶体的介电性能的研究、对磁谐振单元阵列材料的磁导率的研究，提出了基于自然晶体中本征的非正定电介质以及基于超材料的非正定磁介质。首次在自然材料(包括石墨单晶、MgB2单晶、铜基高温超导材料以及锶钌氧Ruddlesden-Popper相材料等层状晶体化合物）中发现了非正定介电张量及其负折射行为，分析了这些材料的非正定介电常数并预测了可以发生负折射的频段。对目前已发现的自然非正定介质的机理进行了分类，归纳和总结。这一工作改变了非正定介质必须通过人工结构实现的观念。