基于梯度电磁超介质的电磁波的非对称传输特性

In this project, we propose to design the gradient metasurfaces and metamaterials made of ferrite materials or dielectric materials. Based on the Mie scattering theory and the multiple scattering theory we will investigate their manipulation on electromagnetic (EM) surface waves and spatially propagating EM waves, in particular, the functionalities on asymmetric propagation and the corresponding efficiencies. Based on the eigen time-reversal-symmetry breaking nature of the ferrite materials and the broken spatial symmetry of the dielectric based gradient metamaterials, we expect to realize the asymmetric control on the propagating EM modes and the phase profiles of EM waves. Our research is going to concern the following subjects:..(i) Investigating the asymmetric control on the surface/edge modes based on magnetic gradient metasurfaces as well as the excitation of the photonic topological edge states (PTESs) and its controllability on the phase profiles of the PTESs; (ii) Comparing the performance of the subwavelength single-layer periodic array of ferrite rods and the gradient magnetic metasurfaces on spatially propagating EM waves such as the one-way reflection or refraction and the unidirectional Goos-Hanchen shift; (iii) Constructing spatial hetero-structures and gradient refractive index systems and making use of these configurations to realize the asymmetric propagation of spatial EM waves; (iv) Designing metamaterials with rotational gradient and gradient hyperbolic metamaterials with nonmagnetic materials and comparing their asymmetric functionalities on EM waves with those by magnetic gradient metamaterials.

本项目基于铁磁材料和介质构建具有表面/界面梯度和空间梯度的电磁超介质，拟采用Mie散射理论和多重散射理论探讨它们对表面电磁波以及空间电磁波的调控能力，着重探讨该体系对电磁波的非对称传输的调控能力和效率。利用磁性材料本征的时间反演对称性破缺和介质设计的空间对称性破缺结构，实现对电磁波传播模式和相位等性质的非对称调控，主要研究内容包括：..(1) 探讨磁性电磁超平面对表面/界面电磁波的非对称传输的调控，以及该体系激发的拓扑界面光子态的特征和它对拓扑界面光子态相位的调制；(2) 对比亚波长单层磁性周期阵列和磁性超平面对空间电磁波的非对称调控，如单向透射和反射、单向古斯—汉森位移等；(3) 采用铁磁材料和介质构建空间异质结构和梯度折射率体系，实现空间电磁波的非对称传输；(4) 设计具有空间旋转梯度的电磁超介质和梯度双曲型电磁超介质，以实现对空间电磁波的非对称传输，并与磁性梯度体系进行对比。

根据本项目所提出的研究课题，我们开展了相关的研究，并取得了丰富的研究成果，基本完成了项目中的各项内容。而且，我们也根据本领域的最新研究进展开展了相关工作，也取得了一些研究成果。截至目前，我们的研究成果可概括为以下三个方面：.(1) 基于复式晶格的介质光子晶体，通过在超原胞中逐层引入旋转梯度构建了具有镜面对称的“超界面”。当光束从一侧入射时可以实现光束的聚焦，而从另一侧相反方向入射时实现了光束的分束；采用磁性材料设计了磁性梯度电磁“超表面”，与常规的基于金属或介质体系的“超表面”不同它可以实现电磁波的单向耦合，从而激发单向界面态。我们采用两种方式引入梯度，第一种的尺寸梯度，即连续改变磁性柱的大小来设计“超表面”，第二种是旋转梯度，通过在磁性柱对上引入旋转角度的连续变化来设计“超表面”。基于磁性“超表面”的设计，我们能够实现单界面态的高效传输和非互易古斯-汉欣位移，并深入探讨了其对角度和梯度的依赖关系，并给出了外加磁场的调制能力。(2) 通过激发磁性柱的单体共振和阵列的集体相干效应来实现电磁波的非互易操作。在磁性散射体的尺寸适当的情况下，电磁波除了能激发体系的基模外，还能够激发偶极共振和四极共振模式。在一个方向上入射时电磁波实现了负透射，而在对称方向上入射时则实现了全反射，通过外加磁场也可以控制两种性质的切换。我们也设计了梯度折射率体系用于电磁波传输的调制实现了光束的偏转、分束和聚焦等特性。把介质柱阵列与梯度折射率体系结合起来构建复合体系，从而实现输出相位的控制。(3) 探讨了光子与纳米粒子间的相互作用，以及微观粒子在入射光场中的光力性质，包括手性纳米粒子的横向光力作用、石墨烯纳米条带对间的吸引和排斥作用以及Fano共振下的金属纳米粒子与光子间的相互作用。本项目的研究成果为我们下一步更为深入研究复合电磁超介质对电磁波传输的调制奠定了坚实的理论基础，也为后续研究项目的开展做好了准备。