陶瓷超材料中谐振模态耦合、调控及相关新功能

Ceramic metamaterials are a new class of metamaterials, composed of ceramic resonators as unit cells, with advantaged of low lose and simple structure. Unlike classical metamaterials made of artificial metal structure, ceramic metamaterials may possess multiple electromagnetic resonance modes derived from the 3D geometrical structure of the ceramic unit cells, the coupling of these modes supply a simple, clear, and designable mechanism for construction of new electromagnetic materials. This project will study the formation regulation and manipulating method, explore the new macroscopically electromagnetic phenomena derived from the mode coupling, to develop new metamaterials with novel functions, such as all-optical modulation based on the mode coupling in the unit cells, various magnetic modulation behaviors derived from the mode couple between Mie resonance and ferromagnetic resonance, and frequency conversion，nonreciprocal effect， and various designable optoelectronic characters in 'artificial solid' based on the mode couples both inner the dielectric unit cell and inters the cell in meta-molecules. Relationship between the new phenomena and the metamaterial structure as well as ceramic properties will be invistagede, theoretical models and design method will be developed, and new ceramic met materials with application promise will be developed.

陶瓷超材料是近年来出现的一类新型超材料，其基本单元是具有一定几何结构的陶瓷谐振体，具有损耗低、结构简单等特点。与金属图形超材料不同，陶瓷超材料结构单元的三维几何结构决定其可能承载多种电磁谐振模态，这些模态的谐振同时发生时会相互作用并耦合，这些耦合为构造新型光电磁功能材料提供了简单、清晰、高自由度的机制。本课题拟研究陶瓷超材料中模态耦合的形成规律与调控方法，探索这些耦合导致的新颖的宏观电磁现象，发展陶瓷超材料的新功能，如基于陶瓷谐振单元内部电磁耦合的全光调制效应，基于铁磁共振与Mie谐振耦合的各类磁调制行为，基于陶瓷meta-molecule中单元内部谐振耦合和单元间耦合的频率变换响应、非互易效应、以及可自由设计的“准固体”光电特性等。研究这些行为与超材料结构、陶瓷介质特性的之间的关系。在此基础上建立模态耦合型超材料的理论模型和设计方法，研制出具有潜在应用前景的新型陶瓷超材料系统。

陶瓷超材料是近年来出现的一类新型超材料，其基本单元是具有一定几何结构的陶瓷谐振体，具有损耗低、结构简单等特点。与金属图形超材料不同，陶瓷超材料结构单元的三维几何结构决定其可能承载多种电磁谐振模态，这些模态的谐振同时发生时会相互作用并耦合，这些耦合为构造新型光电磁功能材料提供了简单、清晰、高自由度的机制。本课题拟研究陶瓷超材料中模态耦合的形成规律与调控方法，探索这些耦合导致的新颖的宏观电磁现象，发展陶瓷超材料的新功能。. 通过五年研究，初步建立了陶瓷超材料中不同Mie谐振间耦合以及Mie模态与其它电磁谐振（如铁磁共振、等离子体共振）模态耦合的理论模型，发展了基于Comsol、CST等软件平台的各种模态耦合模拟仿真方法，对陶瓷基超材料的模态耦合行为有了更清晰的认识；形成了具有普适性的陶瓷超材料中模态耦合功能构筑的技术路线；在陶瓷超材料人工原子的基本Mie谐振模态特性、人工原子间的模态相互作用和对称性效应、单一人工原子中的多模态耦合、陶瓷人工原子及人工分子中Mie谐振与铁磁共振的耦合、以及电-磁模态之间的强耦合行为的研究中取得了重要进展，形成了系统的理论框架和新功能构造与新型超材料设计方法，在此基础上发展出了基于超材料的全光开关、人工非线性光学材料、光电直接转换、磁控光开关及隔离器、非互易传输器等新型陶瓷超材料、新功能和新器件。. 项目执行过程中共发表学术论文75篇，获授权申请发明专利12项，在国际学术会议上做邀请报告10余次，出版学术专著2部，培养博士研究生14位、博士后6位，“非金属基超常电磁介质的原理与构筑”荣获2016年度国家自然科学奖二等奖，课题负责人于2017年被增选为中国工程院院士。