用功能基元的对称性设计控制超构材料中的非互易电磁模式及其转变

Non-reciprocal electromagnetic modes founded in the artificial electromagnetic (EM) materials provide an effective means to control the motion of EM waves. This project will study the generation, evolution of nonreciprocal electromagnetic modes, including the topological phases and the PT-symmetrical states, and the transformation between the modes by the symmetry and symmetry degree designs of the basis of artificial EM materials, and rxplore their applications in electromagnetic wave absorption or transparency. The study will master the evolution and transformation of nonreciprocal electromagnetic modes, and find new laws behind the evolution and transformation. It will provide new methods and techniques for controlling the electromagnetic response of artificial EM materials and the motion of electromagnetic waves by applying artificial EM materials. Also, it will provide a sound theoretical basis for the application of non-reciprocal EM modes in the applications such as wave absorption or transparency.

人工电磁材料中各种形式的非互易电磁模式为控制电磁波的传播提供了有效的手段。本项目主要研究通过用人工电磁材料功能基元中不同的对称性和对称性程度的设计，控制人工电磁材料中的拓扑态、PT对称相等非互易电磁模式的生成、演变和相互转化；研究它们在电磁波吸收或透明中的应用。通过研究掌握非互易电磁模式的演变和相互转变的规律，发现新的电磁规律，为控制人工电磁材料电磁响应和运用人工电磁材料控制电磁波的运动提供新的方法和技术手段，为拓扑相和PT对称相材料的应用提供理论基础。

非互易材料是一种能使电磁波在相反传播方向上具有不同响应特性的材料。典型的均匀非互易材料是被磁化了的铁氧体材料，它在信息、通信等领域有着广泛的应用，它对于研究电磁波与材料的相互作用也具有特殊的意义。传统的均匀非互易材料取决于所用铁磁性材料，一般很难加以调整。随着超构材料研究的兴起和发展，用人工材料的宏观结构来调控非互易材料的响应得到了人们的关注。超构材料的结构特点和固体中的晶体材料极具相似性。由于晶体的宏观物性至少要包含其对称性，故有关超构材料对称性与电磁模式的研究是十分重要的。特别是在超构材料中发现的拓扑光子态为研究非互易电磁模式及其应用提供了新的途径。.课题围绕功能基元的对称性设计，研究非互易电磁模式在超构材料中的形成和转变，由这些电磁模式导致电磁新现象及其应用。通过对功能基元的空间对称性、时间对称性、电磁对偶性和偏置磁场方向等与二维超构材料中非互易电磁模式的研究，取得了以下主要结论：（1）应用功能基元的对称性设计，可以在磁性超构材料中激发起非互易体波，表现为在超构材料平面内的单向波和平面外的反射或透射波的非互易横向波束位移，它们取决于功能基元的空间反演对称性、镜面反射对称性和时间反演对称性以及它们的组合。（2）基元的对称性设计，可以在非磁性超构材料中激发起具有不同谷陈数的拓扑性相，它们与中心反演对称性破缺的程度相关；在旋磁性超构材料中可以激发起TE/TM双极化的电磁量子霍尔相和谷相，以及在超构材料畴界上不同性质的非互易表面波。另外，角态可出现在非C6对称性条件下。（3）改变功能基元中心反演对称性的强度导致了拓扑谷相中不同谷陈数子相之间的相变。改变时间对称性和中心反演对称性之间的相对强度，可以在磁性超构材料中引起不同拓扑相之间的转变以及同一拓扑相中不同拓扑数子相之间的相变。（4）非互易电磁模式可应用于电磁波吸收，电磁超散射和隐形门，以及低维光子拓扑俘获等场景。.研究结果对于深入了解功能基元与超材材料的拓扑态、拓扑相变的关系等物理过程，用功能基元的对称性设计来获得所需的电磁模式，从而实现各种非互易器件及其应用打下牢固的基础。