光子人工微结构中的类量子现象研究

It is known that there are similarities of coherent phenomena between quantum mechanics and wave optics, and the developpment of engineered photonic structures (EPS) has provied a platform to study these so called quantum-optical analogies or quantum-like phenomena. The proposed project aims to study novel quantum phenomena in atomic systems or condensed-matter systems by manipulating light transportation and coherence in EPS. The project will focus on two typical EPS, metamaterials and plasmonics, and their composite structures. Theoretical and experimental investigations of the project will be concentrated on unusual ways and key parameters of mimicing quantum-like phenomenan in EPS, such as tailoring photonic bandgap and then the density of states in momentum space, tunning parameters of local resonant strucutres in real space.We expect, based on the study of the project, to get better understanding of some novel quantum precesses which are difficult to study experimentally in original atomic or condensed-matter systems, on one hand. On the other, the scientific research of the project may be important for potential applications of quantum-like phenomenan in EPS based devices.

申请项目将围绕光子人工微结构材料（Engineered Photonic Structures,以下简称EPS）中的类量子现象展开系统的理论和实验研究。研究目标为通过人为调节EPS中光的相干现象来模拟、研究凝聚态系统和原子系统的新奇量子现象，加深对相关量子现象物理机制的认识，并在此基础上为利用类量子效应来调控光的行为提供新的物理途径。主要研究内容包括：EPS中特别是美特材料（Metamaterials）和表面等离激元（Plasmonis）及相关复合结构中类量子现象的物理机制以及控制这些物理机制的关键参量，如类凝聚态系统新奇量子现象与EPS的光子激发能谱之间的联系、类原子系统量子光学现象与EPS中共振诱导的相干效应之间的联系等。项目研究内容涉及到凝聚态物理、光物理、量子物理、材料物理等学科，具有显著的多学科交叉特性。项目的研究成果不仅有重要的科学意义，而且对相关器件的应用有广泛的指导意义。

项目的研究目标为通过人为调节光子人工微结构中光的相干现象来模拟、研究凝聚态系统和原子系统的新奇量子现象，加深对相关量子现象物理机制的认识，并在此基础上为利用类量子效应来调控光的行为提供新的物理途径。项目根据任务书安排，围绕基于光子人工微结构模拟凝聚态系统和原子多能级系统的新奇量子现象，展开了理论、实验及应用方面研究，取得多项有特色的研究成果。.项目在凝聚态系统新奇量子现象模拟方面的主要研究成果包括：通过研究麦克斯韦方程和一维狄拉克方程之间的对应关系，在国际上首次建立了凝聚态体系拓扑激发态与美特材料电磁性质之间的联系；研究了光子石墨烯狄拉克点特殊的能带结构带来的新现象，如光子能谷依赖分光和几何相位诱导的的弱反局域现象等；研究了光子等频率面拓扑结构调控及其对光传播行为影响，如含双曲超构材料一维光子晶体的无色散带隙结构。.项目在原子多能级系统的新奇量子现象模拟方面的主要研究成果包括：首次在完全被动（没有物理增益）的系统中实现理想的PT对称条件，并系统地实验研究了PT对称破缺的相图以及相关的相干完美吸收现象；研究了由负折射和零折射材料组成的复合谐振腔中原子的辐射行为，提出了一种产生高方向单光子源的器件方案；利用多个人造原子与单个腔膜耦合来模拟多能级原子的干涉行为，发现自然系统难以观测到的单方向电磁感应透明现象。.在应用方面的主要研究成果包括：基于光子带隙调控以及人工微结构干涉调控，提出了相控阵天线新的工作原理；基于深亚波长人工微结构共振耦合调控，提出了近场无线传能新的工作原理；基于光子能带结构对自发辐射的调控，设计研制了具有特殊功能的新型光子晶体闪烁材料。.在项目的资助下，课题组成员发表论文56篇，申请专利9项，培养研究生34人。