近零参数电磁超构材料的设计与性质研究

Metamaterials have attracted extensive attention due to their interesting physics and numerous innovative applications in negative refraction, perfect lens, cloaking and so on. Besides the single-negative and the double-negative parameters, single-zero and double-zero parameters can also be obtained in the metamaterials. In the metamaterials with near-zero parameters, the effective wavelength of the electromagnetic wave tends to be infinite. That is, in such materials with finite size the phase is almost unchanged. Based on these unique properties, many intriguing optical devices have been proposed. In this research we will investigate how the complicated defects, loss effect, nonlocal effect and the nanostructure at the surfaces influence the properties of near-zero-parameter metamaterials. In addition, we will develop new effective medium theories to give more accurate effective parameters. Moreover, dielectric photonic crystals will be taken into consideration, which may have potential abilities to realize lossless near-zero-parameter metamaterials. Thus, we can break through some limitations caused by the metal dissipation. Using multiple scattering theory and finite element method simulations we will explore new applications in waveguides, controlling the wave front, etc. What's more, we are also interested in some novel phenomena attributed to the broken of symmetry. Through this research we will gain deep insight into the physics in this field. And some practical lossless near-zero-parameter metamaterials can be expected.

近零参数电磁超构材料是近来国际上的一个新兴的研究热点。本项目我们将深入地研究复杂缺陷对材料透射性质的影响、非局域效应、截断的结构的表面上的微结构等对近零参数电磁超构材料的影响。在此基础上，我们将金属的吸收损耗以及表面等离激元带来的非局域效应考虑在内，发展改进有效介质理论，力图更精准地计算出其有效介质参数，来帮助我们设计构建近零参数超构材料的实际结构。我们还将考虑设计基于电介质光子晶体的近零参数超构材料，有望突破以往金属超构材料高损耗长波段的局限，我们将采用多重散射和有限元方法来研究这种新型近零参数超构材料在波导、波前控制等方面的应用以及空间反演对称和时间反演对称破缺所导致的新颖的物理现象。对于近零参数电磁超构材料的研究尚处于比较初级的阶段，仍有不少有待探索的有趣的物理现象。通过本项目的研究将丰富和深化对该领域物理的理解，有望设计出具有实用价值的低损耗近零参数超构材料。

本项目我们采用多重散射和有限元方法深入研究了复杂缺陷、非局域效应等对近零参数电磁超材料透射性质的影响。我们考虑金属的吸收损耗和表面等离激元导致的非局域效应，发展有效介质理论计算超材料的有效参数，突破有效介质理论在长波下有效的局限，帮助设计超材料的微结构。.我们细致地研究了含具有壳层结构缺陷的近零参数超材料的透射性质。缺陷圆柱体外包裹的薄薄的介电壳层会给透射性质带来大的影响，通过调整介电缺陷的折射率来实现控制电磁波在超材料中的传播。这种结构可应用于超灵敏的光学传感和开关。我们在一个任意形状的ENZ材料构成的两维结构中嵌入介电缺陷，发生缺陷共振，在缺陷里形成驻波。当驻波的某个波节点落在缺陷的边界上，磁场为0。由于ENZ材料中磁场均匀，因此整个超材料中磁场为0，可以实现全角度的完美磁导体，并且ENZ超材料中的缺陷的形状可以是任意的。.我们设计金属-介电多层膜结构实现各向异性近零折射率超材料，由于结构中的表面等离子共振，导致场分布的不均匀性，传统的有效介质理论已不能适用。我们推导得到超材料的有效参数，并且研究发现零折射率的有效介质的非局域效应导致产生两支交叉的抛物线的色散曲线。通过改变材料结构的参数，我们发现有效的非局域效应和由此引起的抛物线色散关系都在随之发生改变。我们进一步证明了群速度的方向同时相反，使得出现了全角度的负折射现象。和双曲线的色散关系相似，抛物线的色散关系也可以使入射的倏逝波转变成行波，可以实现亚波长成像，突破了衍射极限。我们发现各向异性近零介电常数材料可以被用于控制电磁波的传播，实现近乎完美的弯曲波导。弯波导的透射系数可以接近100%，损耗很低。这是阻抗匹配的界面，特殊的表面波和超材料的本征模共同作用的结果。我们利用铁氧体材料，并结合其他材料构建可通过磁场调控的零折射率超材料，破坏时间反演对称。当外加磁场为一固定数值的时候所设计的超材料有效折射率为0，电磁波可以无反射地通过这个结构；当外加磁场偏离这个数值后，电磁波的透射率明显下降，由此可以实现开关的功能。基于近零超材料我们还设计了一结构实现信号的调制解调。.我们在国家自然科学基金的资助下开展了富有特色的研究工作，并取得了很好的研究成果，达到了课题的预期目标。通过后续的研究，有望设计出具有实用价值的低损耗超材料，并进一步继续研究利用超材料进行多功能光子器件的设计。希望今后能够继续得到基金委的资助。