光学亚波长结构中散射抑制效应的物理机制分析和实验研究

The project will study electromagnetic scattering suppression effects in optical sub-wavelength structures in theory and experiment. We will investigate the interactions between light and matter. Our aim are to find novel physics phenomena in the sub-wavelength structures constructed by different materials and arranged in different spatial periodicity; to find new physical mechanism and new rules in such physics phenomena. We will reveal the nature related on photonic topological insulator, the relations between scattering cloak and surface plasmon resonances. We will study on behaviors on Anderson localizations. We will study zero-refractive-index materials, in which we focus on scattering cloak and source transformer, etc. We will fabricate various kinds of high-dimensional sub-wavelength structures in optical region, and measure and analyze the behaviors related on scattering cloaking, zero-index, and topological transports. We will develop novel optoelectronic materials and technologies that are based on scattering suppression effects, so as to provide theoretical and experimental facts for high-dimensional optical sub-wavelength structure in the field of novel optoelectronic materials and novel optoelectronic devices.

本项目拟从物理机制和实验两方面研究光学亚波长结构中各种干涉散射的电磁抑制效应。探讨光与光学亚波长结构的相互作用和调控。揭示不同组分与空间构建的亚波长结构中新物理现象，揭示这些现象的新物理机制和新规律。揭示光子拓扑输运的物理本质；揭示散射隐身与表面等离激元共振的关系；研究安德森局域化等基础物理问题；研究零折射率材料中散射隐身和波形变换器等基础应用问题；完成光波段下各类光学亚波长结构的样品制备，完成散射隐身、零折射行为、拓扑输运等实验的测量和分析，填补国际在相关领域的空白。开发和研制基于散射抑制效应的新型光电功能材料和原型器件（如光隔离器和零折射天线等），为发展基于光学亚波长结构的新型光电功能材料和光电子器件提供理论基础和实验依据。

本项目能按计划执行，完成了全部的研究目标，标注资助的研究论文无论在质量和数量两方面都超过预期目标。从物理机制和实验两方面，成功地完成了光学亚波长结构中各种干涉散射的电磁抑制效应的研究。在拓扑光子晶体方面，通过系列工作，揭示光子拓扑输运的物理本质。尤其是利用非谐振超材料克服了材料色散问题，实现了光子拓扑绝缘体，证实了宽带边缘态的抗散射传输、赝自旋过滤等新型光学拓扑传输行为。需要特别指出的是，我们首次提出了能谷光子晶体结构，实现了在拓扑平庸光学系统中的赝自旋调控，简化了亚波长结构，在光子晶体内部实现光传输控制，开拓了一个能谷光子学新领域。在零折射率材料方面，通过系列工作，在微波段准晶光子晶体中实现了散射隐身、狄拉克锥能带、非对称传输、定向发射等奇异物理现象，在光波段周期光子晶体中实现了波形变换行为等，有望用于光隔离器、纳米天线、波前变换器等片上集成应用；同时还初步探究了非厄米系统的损耗以及相关的安德森局域化行为。上述研究将对新型光场拓扑调控领域的发展起到关键作用。项目执行期内，以第一作者或通讯作者发表SCI论文12篇，含Nature Materials, Physical Review Letters、Nature Communications、ACS Photonics等中科院I区论文，含PRB、Sci Rep、Opt Express等SCI论文8篇；合作发表1篇Nature Communications。研究工作被Nature Photonics热点专题报道和正面评述。受邀完成了5个邀请报告，并在多个会议上作口头报告。同时，举办了一次国内学术会议。此外，项目负责人董建文教授获得青年长江（公示）、国家基金委优秀青年基金（2015）、广东省杰出青年人才计划资助（2013），入选广东省特支计划（2015）。培养（含协助）已毕业博士生3名，已毕业硕士生6名。目前，在读博士生1名，在读硕士生5名。