梯度磁光率介质中光的非互易效应研究

Photons are neutral particles with zero charge and they cannot directly interact with an applied magnetic field. However, recently studies show that the effective magnetic field for photons can be created by using the magneto-optical medium or time-dependent-permittivity medium. It gives rise to the nonreciprocal transmission via breaking the time-reversal symmetry of the optical system. Compared with the case when the magneto-optical ratio is homogeneously distributed, the goal of this project is to concentrate on the nonreciprocity under a coordinate-dependent magneto-optical ratio, propose a systematic theory for dielectric medium with gradiently modulated magneto-optical ratio, and give a specific relationship between the gradient field and effective magnetic field. By subtly designing the medium’s parameters, we can explore how to realize similar magnetic behaviors in photonic system (such as the magneto-Stark effect under non-constant gradient, Zeeman effect and Landau level), or realize the magnetically-controlled meta-surface. Based on these researches, we can try to generalize the concept of effective magnetic field to other cases of nonreciprocal transmission, and use a certain gradient field to explain the nonreciprocity of other waves (such as the acoustic wave, spin wave, elastic wave, or even all of the matter waves). Accordingly, this will provide a new understanding and perspective for the nonreciprocity in other branches of physics.

光子为不带电的中性粒子，并不能直接与磁场发生相互作用。但最近的一些研究发现，磁光介质或受时间调制的电介质可在介质内部产生能与光子相互作用的有效磁场，它通过破坏系统的时间反演对称性，导致了光的非互易传输。相对于介质磁光率均匀分布的情形，本项目致力于研究介质的磁光率为空间坐标函数时光的非互易效应，提出梯度磁光率介质的系统理论，给出梯度场与有效磁场的关系，并通过巧妙设计光子系统中的介质参数，探索如何在光子系统中实现类似于电子的磁效应（如梯度不为常矢量下光子的磁致Stark效应、Zeeman效应、Landau能级等），以及实现磁控超表面等。在此基础上，尝试将有效磁场的概念推广至物理学中其它非互易传输现象，用某种类似于磁场的梯度场来解释其它波（如声波、自旋波、弹性波乃至一切物质波）的非互易传输，从而为非互易效应提供一种全新的理解和视角。

光子为不带电的中性粒子，并不能直接与磁场发生相互作用。但最近的一些研究发现，磁光介质或受调制的电介质可在介质内部产生能与光子相互作用的有效磁场，它通过破坏系统的时间反演对称性，导致了光的非互易传输。相对于介质折射率和磁光率均为常数的情形，本项目主要对介质折射率和磁光率均为空间坐标函数时光的传输路径和非互易现象进行研究，利用梯度场中光线传输的理论给出梯度场与有效磁场的关系，并讨论如何反向设计折射率或磁光率场来支持光的非互易传输，一些特定的非互易结构还可用于光偏转器和分波器的设计。特别地，对于某些具有对称性的梯度场，可以找到相应的守恒量（循环积分），从而使计算步骤大为简化。我们基于守恒量提出了球对称梯度场中的光学Binet方程，以及三维轴对称场中利用Hamilton主函数进行光线追踪和非互易模式的计算方法。此外，课题组成员还对磁光介质的制备进行了实验上的研究。用磁性金属原子代替半导体材料中的部分原子可产生磁光性能，并采用溶剂热法成功制备出具有室温铁磁性的Cr掺杂MS(M=Zn, Cd)基稀磁半导体纳米材料。我们对梯度场提出的相关理论和数值模拟结果符合得很好，且相对简单而通用，实验成果也获得国家发明专利授权，有一定的应用价值。