基于介电颗粒电磁谐振的可调谐各向同性超材料研究

电磁左手超材料是一种介电常数和磁导率均为负的新型电磁结构材料，通常利用金属结构单元的电磁谐振实现其超常物理效应。本项目拟研究一种基于介电颗粒的各向同性全介质左手超材料及其可调电磁行为。利用有效媒质理论和Mie散射理论研究电磁波与有序/无序排列的高介电颗粒相互作用产生局域电磁共振的机制，揭示其实现各向同性负介电常数和负磁导率的物理本质，探索各参数对电磁谐振强度、线宽及其相互作用的影响规律。实验采用微纳米加工和流延成型等技术制备不同尺寸和介电常数的电磁谐振介电颗粒，并实现电谐振和磁谐振颗粒组合的三维有序/无序排列的全介质左手超材料；借助介电颗粒介电特性的温度/电场可调控性，实现两种介电颗粒Mie电谐振和磁谐振的重叠与分离，得到折射率值由负－零－正可调节的全介质超材料。该研究能为红外和可见光频段各向同性超材料和隐身斗篷的实现提供一种简便方法，具有重要的学术意义和应用价值。

电磁超材料是一种新型的人工电磁结构材料，具有自然界材料所不具备的独特物理光学特性。例如有效介电常数和磁导率同时小于零的超材料被称为电磁左手超材料，其表现出许多奇异的电磁响应行为。电磁超材料是当今物理学、材料学与电磁学研究领域中的前沿与热点，具有重大科学意义。目前关于电磁超材料的研究中多以金属结构单元实现其超常物理效应，然而金属结构单元有欧姆损耗较大、加工复杂且电磁响应为各向异性等缺陷，在应用中受到较多制约。本项目研究了一种基于介电颗粒电磁谐振的各向同性超材料及其可调电磁行为，取得的有意义的研究结果如下：理论研究了电磁波与高介电颗粒间相互作用产生局域电磁共振的机制以及颗粒间电谐振和磁谐振的耦合机理；理论和实验研究了结构对称破缺诱导的电偶极子和磁偶极子间的电磁杂化耦合效应，并由此提出利用结构单元的对称性破缺实现对全介质超材料的电磁性能控制的理念；设计并搭建了一套二维全自动微波场分布测试系统，可自动测量一定范围内的电磁场分布，并实现点源场发射和平面波发射两种发射模式；理论和实验研究了基于介电颗粒Mie谐振机理的各向同性近零折射效应，电磁场分布测试表明该近零折射材料能够实现对电磁波的超强控制并且在特定频段实现了温度可调控零折射效应；理论和实验研究了铁磁柱与金属线复合超材料、液晶基渔网结构超材料的异常折射效应，实现了磁场的调控特性；设计了温度可调谐全介电Cloak隐身器件，并进行了相关仿真计算。本研究为各向同性超材料和隐身斗篷的认识和实践提供了参考，具有重要的学术意义和应用价值。相关的研究结果已发表SCI收录期刊论文 8 篇。申请中国发明专利 2 项，其中 1 项已授权。