Si基增益损耗型时空对称性超材料新物理效应的研究

Artificial micro-structural optoelectronic functional materials such as photonic crystals and metamaterials have been shown to be capable of manipulating optical wave properties in an unconventional way, and thus their development greatly facilitates photonic-integration in many fields. Unlike all the previous works which focus on the impact of the effective refractive index's real part on the scattering of the light, here our project emphasizes the impact coming from the imaginary part of the refractive index, i.e, material's loss or gain and its resulted novel optical phenomena. Our goal is to design a perfect absorber with better performance and/or more functionality by investigating a new kind of parity-time multilayer material system with a complex refractive index. We will study the physical mechanism for plasmonic lasers and coherent perfect absorbers and combine them to design a novel coherent perfect absorber, which might be useful for the design of new generation high efficient photovoltaic and detector devices. In addition, based on our previous work, we will continue to investigate new physics effects in a Non-Hermitian open quantum system with both broken parity symmetry and time-reversal symmetry, demonstrate theoretically and experimentally the asymmetric transmission of light with different states of polarization, and improve the platform for parity-time symmetry research. In short, manipulating the refractive index in the complex plane give rise to many research opportunities such as critical quantum phase transition in open quantum system, optical one-way transportation, perfect coherent absorbers, coherent amplification, non-reciprocal Raman amplification, and non-reciprocal lasing, which could ultimately underpin a new generation of sophisticated, integrated photonic devices.

以光子晶体、超材料为代表的人工微结构光电功能材料已在许多领域实现了对光波的有效调控，推动了光子集成器件的发展。区别于传统人工材料主要研究有效折射率的实部对光散射的影响，本申请重点关注折射率的虚部（材料的损耗以及增益）所产生的奇异光学效应。1.通过复空间折射率的设计，研究新型时空对称复合材料，设计出性能更理想的相干完美吸收体，深入研究完美相干吸收的物理机制，设计出完美吸收器件，为新一代光伏和光电探器件提供研究基础。2.在已经初步掌握设计并实验上实现相干完美吸收的基础上，进一步考虑新型激光器的设计，如PT对称的激光器，并且利用磁控溅射等实验手段实现之。总之，通过对整个折射率复空间的设计和调控，不仅可以模拟开放量子系统诸如量子相变的基本问题，还可实现诸如光的单向传输、完美相干吸收等新奇物理效应，最终可为下一代集成光子器件提供新原理和新方法。

以光子晶体、超材料为代表的人工微结构光电功能材料已在许多领域实现了对光波的有效调控，推动了光子集成器件的发展。区别于传统人工材料主要研究有效折射率的实部对光散射的影响，本项目则重点关注折射率的虚部（材料的损耗以及增益）所产生的奇异光学效应。.主要研究内容为：1. 研究时空对称性、时间反演和相干吸收等基本量子原理，研究量子态和对称性的关系，并研究光学、声学人工带隙材料中奇异点的量子相变效应和量子演化的物理规律；2. 在奇异点处研究如何利用时空对称超构材料来调控光与物质相互作用；3. 在物理器件上，设计基于时空对称超构材料的新型器件，例如高性能探测器、拓扑保护的波导、光栅分光器件和隔离器件。本项目执行期间取得了如下的重要成果：1.首次实现了无阈值的宇称-时间对称性破缺的布洛赫振荡现象，并发现由此导致的二次辐射。2.提出了一种由压电／压磁超晶格构成的时间反演破缺的“光拓扑绝缘体”模型，研究了该系统中光子（玻色子）的拓扑分类及对称性保护的物理机制。3.对于传统单一偏振的纵波，实现了一种类Kramers赝自旋简并的声波自旋霍尔效应、首次实验实现二维、三维声拓扑绝缘体及观测到声自旋依赖的螺旋传播边界态等。.本项目在宇称-时间对称光子学方面的研究结果拓展了微结构材料及物理效应的研究领域，为研究开放的量子系统发展了一类新的实验体系，也为研究光子玻色系统的拓扑效应提供了研究平台，为光电子器件，特别是光子集成芯片、光电探测器、LED发光器件、纳米激光器件、光电互联等新兴领域的应用，开拓了新思路，最终可为下一代集成光子器件提供新原理和新方法。本项目在对称性保护的拓扑光子和声子态的工作，为在人工带隙材料中研究宏观类量子效应提供了相应的基础和新的研究平台。课题在声子带隙材料和声超材料方面的研究，拓展了声学材料种类，为这类新型人工材料在隔声、吸声、声聚焦、成像、隐身、通讯和电声转换器件等应用方面提供了理论基础和实验依据。