新型电磁特异介质对光与物质相互作用的调控

对电磁特异介质(Metamaterials)的研究极大地拓展了电磁（光）波的传统理论，并且伴随着理论的发展诞生了一大批前所未有的实际应用。利用特异介质来调控光与物质相互作用成为目前的一大研究热点。申请人拟结合理论、数值模拟以及实验，研究利用特异介质调控光与物质相互作用中的一些基础理论问题及可能的应用。为此我们将开展如下研究：1）建立一套新的理论方法研究复杂特异介质体系中的耦合问题；2）根据理论设计出真实的特异介质体系，实现对电磁（光）波诸多特性（如波速、偏振，传播方向等）的更有效的调控；3）利用设计出的真实体系对一系列基于光与物质相互作用的物理效应（如磁光效应、非线性响应、吸收等）进行有效调控，包括增强其效应，调控其工作频率等，并利用实验对理论预言进行验证。

本项目针对电磁特异介质对光和物质相互作用的调控展开相关的研究，取得了以下几个方面的研究成果：1）利用具有梯度性质电磁特异介质超表面实现了对电磁波传播的有效调控，包括传播波到表面波的完美转换，接近100%效率的光子体系自旋霍尔效应，以及高效透射式表面等离激元耦合器和超薄平面会聚反射镜光波段等高性能功能器件；2）将石墨烯与电磁超表面相结合，实验实现了对太赫兹波反射波和振幅的相位大幅动态调控； 3）建立了色散光子体系的紧束缚耦合理论，并系统研究了不同复杂特异介质体系中的耦合问题，还进行了相关实验验证，如建立了反射式超表面系统相位和振幅的完备相图；发展了一套微波近场测试手段验证光子耦合体系的等效理论模型；建立并实验验证了一套针对多层膜结构特异介质的普适有效媒质理论；4）基于特异介质体系，实现了对电磁波传播特性的有效调控，并利用其对光和物质相互作用的物理效应进行了有效调控；5）通过与国内外合作者的拓展研究，我们完成了对不同体系特异介质的理论和实验研究，如基于碳纳米线圈的可调微波吸波材料，超宽带低反射太赫兹超表面，等。在本项目支持下，共发表SCI 学术论文45篇，其中包括Nature Materials 1篇，Nano Letter 2篇，ACS Nano 1 篇，Physical Review X 1篇，Physical Review Letters 1篇，Nature Communications 1篇，Light: Science & Applications 2篇，Physical Review B 1篇，Opt. Lett. 2篇，Opt. Express 2篇，Appl. Phys. Lett. 2 篇等论文，应邀49次在国际学术会议上做邀请报告，二十余次作为组委会委员参与相关国际会议组织。本项目研究成果受到国际同行的热点关注，我们关于梯度特异介质表面的系列工作发表总引用次数就超过550次，等等。