特异材料非线性法诺共振的实验研究

This project examines the linear and nonlinear Fano resonance .when electromagnetic microwave and light pluse propagate in metamaterials and other artificial electromagnetic micro-structure. It mainly focuses on the following aspects: on the one hand, we would design a metamaterial structure with the Fano resonance response starting from the basic physics of Fano resonance, and further study the influence of geometry and losses on Fano resonance; the second area, by applying the nonlinear materials and components into the design, we could explore the nonlinear properties of Fano resonances, the difference between nonlinear Fano and normal resonance, and the effects of different Fano lines on nonlinear properties; Finally, based on our preliminary work, we can investigate the transport behavior of the electromagnetic pluse through matematerials with linear and/or nonlinear Fano resonance. Through microwave experiments, we can also explore Fano resonance in time domain. Researches of linear and nonlinear Fano resonance in metamaterials, not only present the insight into the physical processes of the Fano resonance and deepen people's understanding of basic physics, but also are instructive for the application of metamaterials and the development of the related linear/nonlinare devices.

本项目围绕特异材料和各种人工电磁微结构，研究电磁波和光脉冲在其中传播时发生的线性或非线性法诺共振行为。项目主要围绕以下几个方面展开：一方面，我们从法诺共振的基本物理出发，设计具有法诺共振响应的特异材料，并研究几何，损耗等参量对法诺谱线的调节；第二方面，在设计中引入非线性材料和元件，探索非线性法诺共振的特性、它和一般非线性共振的区别，以及不同法诺谱线对非线性特性的影响；最后，我们以前期工作为基础，通过微波实验来研究电磁波脉冲在线性和非线性法诺共振响应结构中的输运行为，探索法诺共振的时域特性，如响应快慢等。对特异材料中非线性法诺共振的实验研究，不但能够深入了解法诺共振的物理意义，加深人们对基本物理的理解，而且对特异材料的应用和有关非线性器件的研制具有指导意义。

1961年，U. Fano指出原子系统具有分立量子态；分立态和连续态之间的相互作用，就会导致不对称的法诺共振谱。而电磁感应透明现象，是由控制激光诱导的一种特殊的法诺共振现象。法诺共振和电磁感应透明现象，本质上都源于波函数的干涉，而类似的波函数干涉现象在经典电磁波系统同样存在。近年来，在光子晶体、特异材料和表面等离激元等人工电磁微结构材料中，法诺共振和经典电磁感应透明的研究十分活跃。法诺共振和经典电磁感应透明具有慢光和强烈的非线性增强效应，这在集成光路中具有十分广阔的应用前景。此外，二者对电磁环境异常敏感，相关研究也引发了生物和医药传感器领域的强烈关注。此前，研究最多的，是线性的法诺共振和线性的经典电磁感应透明；对于非线性法诺共振和非线性电磁感应透明，仅有少量的理论研究结果。.本项目围绕特异材料等各种人工电磁微结构，通过理论和实验，研究了电磁波在其中传播时发生的线性或非线性法诺共振和经典电磁感应透明现象。研究主要分为三个部分：结构和损耗参数对法诺共振的影响，非线性法诺共振与非线性一般共振的区别，电磁波脉冲在非线性法诺共振结构中的输运。项目取得了以下重要结果：(1)系统地研究了特异材料人造原子对电磁波的调控机制，包括研究非线性人造二能级原子边耦合系统的双稳态传输特性，实现了深亚波长尺度的电磁波开关；研究人造三能级原子非线性电磁感应透明现象，实现了深亚波长尺度的电磁二极管；研究驻波场中特异材料人造原子对电磁波的调控，提出并实验验证了驻波场中人造原子共振诱导的单向电磁感应透明现象。(2)研究了基于损耗的电磁感应透明三能级原子相干性质的调控机理,并完成了特异材料人造原子平台的实验验证；(3)研究了特异材料人造原子的电磁波散射和共振耦合机制，实现了无源特异材料系统中的宇称-时间对称和相变，并在实验上实现了相干完美吸收。(4)研究了一维特异材料的狄拉克方程描述，利用一维特异材料平台，实现了能带翻转、domain wall和end states等多种拓扑激发态，并在实验上进行了验证。(5)研究了光子石墨烯中谷依赖的电磁输运特性。我们认为，特异材料等人工电磁微结构的可调性、亚波长结构尺度、高局域场，为研究量子光学新奇效应提供了方便的电磁波模拟平台。特异材料中的法诺共振和经典电磁感应透明现象，具有慢光、环境超敏感特性，为设计小型化、低阈值的高性能功能器件提供了崭新的物理机制。