非厄米超材料中可控单向无反射和单向完美吸收性质的研究

During the recent years, research on non-Hermitian metamaterials system of parity-time symmetry system has become the hot topics in physics and materials science. Non-Hermitian metamaterials system of parity-time symmetry own the real eigenvalue spectra and exhibit the extraordinary phenomena, such as unidirectional reflectionlessness, unidirectional perfect absorption, and so on. In this project, we will investigate the controllable unidirectional reflectionlessness and unidirectional perfect absorption in non-Hermitian metamaterials at optical frequency theoretically, based on the far-filed and near-field couplings of resonance elements. Firstly, we will design the special non-Hermitian metamaterials and realize the controllable unidirectional reflectionlessness and unidirectional perfect absorption by changing the polarization and incident angle of the incident plane wave. Then we will study the highly-dispersive unidirectional reflectionlessness and perfect absorption based on the far-field and near-field couplings of the high-order plasmon resonance elements. Finally, we will investigate unidirectional reflectionlessness and unidirectional perfect absorption based on the far-field and near-field couplings of the plasmon resonance elements in non-Hermitian plasmonic waveguide system. Research on the project, we will provide the solid theoretical basis and technical support to the application on nano-materials, such as optical switches, sensors, diodes, anisotropic nanophotonics devices, and so on.

近几年，宇称-时间对称非厄米超材料系统的研究成为物理学和材料学的热门课题。宇称-时间对称非厄米超材料系统不仅有实的本征值，而且显示特殊的现象，如单向无反射和单向完美吸收等。在本项目中，我们将基于共振组件之间的远场和近场耦合，从理论上研究非厄米超材料中光学频段可控单向无反射和单向完美吸收。首先，通过设计特殊的非厄米超材料，利用改变入射光的偏振和入射角来实现可控的单向无反射和单向完美吸收。其次我们将基于高阶表面等离子共振组件之间的远场和近场耦合来研究高色散的单向无反射和单向完美吸收。最后我们将在非厄米等离子波导系统中利用表面等离子共振组件之间的远场和近场相位耦合研究单向无反射和单向完美吸收。通过本项目的研究将为光开关、传感器、二极管、各向异性纳米光子器件等纳米材料的应用提供坚实的理论依据和技术支持。

项目的背景：.宇称-时间对称非厄米超材料系统的研究成为物理学和材料学的热门课题。宇称时间对称非厄米超材料系统不仅有实的本征值，而且显示特殊的现象，如单向无反射、单向完美吸收和非对称透射等。.主要研究内容：.1. 利用高阶等离子共振器之间的法布里-珀罗腔共振耦合在不同温度下研究了不依赖于偏振的高色散单向无反射和单向完美吸收。.2. 利用等离子共振腔端耦合表面等离子波导组成的非厄米系统中研究了双带单向无反射。.3. 利用外加电压可控的两个表面等离子共振腔之间的近场耦合，在非厄米电光表面等离子波导系统中研究了电压可控的单向无反射和单向完美吸收。.4. 利用表面等离子波导端耦合与高阶等离子共振腔组成的非厄米系统中研究了高色散双带单向无反射和单向完美吸收。.5. 利用改变入射光的入射角来调控两个共振器之间的近场耦合在非厄米系统中研究了操控单向无反射和非对称透射。.6. 利用多个共振器之间的相位耦合在非厄米系统中研究了多频带的单向无反射和单向完美吸收。.重要结果、关键数据及其科学意义：.1. 利用改变环境温度来调控金属的损耗。研究发现当环境温度达到60K时，高色散单向无反射光谱的品质因子达到了4274。另外，温度小于60K时，单向无反射现象消失。.2. 利用表面等离子波导端耦合与等离子共振腔非厄米系统中实现了双带单向无反射仅仅需要两个共振器。.3. 当外加的电压U=7.4V，向前和向后方向的反射率分别接近于0和0.82在频率144.18THz，而在频率150.86THz是向前和和向后方向的反射率分别接近于0.81和0。.4. 利用表面等离子波导端耦合与高阶等离子共振腔在非厄米系统中实现了高色散的双带单向无反射。.5. 当入射波垂直入射时可以实现单向无反射，而当入射波的入射角20度时可以实现非对称透射。.这些非线性光学性质将应用于滤波器、隔离器、光二极管、各向异性器件等方面有着重要的意义。