基于晶体中极化激元的超常电介质材料研究

近年来，以"左手材料"和"隐身衣"为代表的超常电磁介质引起了人们的关注。迄今为止人们发展超常介质主要策略是通过人工设计的"超材料（metamaterials）"结构，其超常物理性质来源于其人工结构而非材料的本征特征。然而，由于材料加工技术等因素的限制，在太赫兹以上频段工作的超材料的发展受到了限制。本项目提出一种利用晶态材料本征特性实现超常介电特性的新机制，即通过电磁波与晶格振动（格波）相耦合形成的极化激元（polariton）谐振来实现超常介电性质（负介电常数和超低介电常数）。拟通过对一系列晶态材料极化激元共振频率附近的介电性质研究，探索晶体结晶化学与和材料学因素对极化激元性质影响，建立材料组成、结构与超常介电性质的关系，发展出在太赫兹－远红外－中红外频段具有超常介电特性的、非人工结构的新型电介质材料。

该项目按计划完成了任务，达到了预期的研究目标。取得的主要成果包括：（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。（2）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。进而，采用萤石结构固溶体，通过对其红外反射光谱的测量和介电常数振子模型的拟合，证明了材料本征超常介电常数随成分的可调性。其介电常数可调范围不仅能覆盖部分负介电区域，同时还可以覆盖整个（0-1）超低介电常数区间。并且基于上述萤石结构固溶体的介电参数，分别设计了环形和地毯式两种电磁隐身斗篷。（3）在有效媒质理论的基础上，提出了采用CaTiO3（CTO）介质棒作为电单元，利用材料本征的极性晶格振动来提供负的有效介电常数。并将其与具有负的有效磁导率的Mie谐振LiTaO3（LTO）颗粒复合，实现了THz频段的全介质左手材料。利用模拟手段，研究了CTO棒和LTO球之间的电磁耦合作用。结果表明，由于耦合作用的存在，电/磁单元之间的距离，电单元本征的介电谐振频率以及电磁波的传播方向都会对复合材料的左手特性产生影响。（4）首次提出利用单轴晶体各向异性的极性晶格振动实现强各向异性介质，进而在自然存在的材料中实现负折射特性。以α-Al2O3单晶为例，通过对反射率的振子拟合反推了其介电张量主值的色散曲线，证明了强介电各向异性区间的存在，并利用电磁场模拟证明了α-Al2O3单晶中全角度负折射现象的存在。这些研究工作对于发展新型太赫兹-远红外超常电磁介质有指导意义。研究工作也得到了国内外同行的关注。