光学超构材料
DOI: 10.7498/aps.69.150101
超构材料 (metamaterials) 自 21 世纪初被提出以来, 已经经历了 20 年的发展, 目前, 它仍然是非常活跃的前沿领域. 超构材料的研究覆盖非常广泛,涉及光、电磁波、太赫兹波、声波、热、力学和弹性波等. 超构材料的基本思想是, 利用人工结构单元作为人造原子, 来构造宏观连续的介质, 通过结构单元的设计, 来调控介质的材料参数, 实现对波的传播性质的控制. 最早的超构材料结构单元是 1999 年英国科学家 John Pendry 提出的金属开口环结构, 它可以与电磁场相互作用, 产生磁共振, 从而实现负磁导率系数. 后来, 人们又提出了很多其他的人工结构单元, 实现各种应用. 超构材料最早的应用是负折射材料, 后来又有零折射率材料、双曲色散材料等. 早期设计的超构材料在空间上是均匀的, 后来人们又进一步提出变换光学设计方法, 利用空间不均匀分布的超构材料, 可以实现对电磁波在空间传播路径的任意调控. 变换光学器件可以实现一些非常新奇的应用, 包括隐身斗篷、幻想光学、麦克斯韦鱼眼透镜, 甚至可以模拟黑洞的引力场捕获光子. 除了三维的超构材料之外, 美国科学家 Federico Capasso 提出超构表面的结构, 利用结构单元对电磁波的散射相位以及相位的梯度分布, 可以实现广义的折射以及对电磁波波前的调控, 从而可以获得各种结构光场. 最近,研究者还通过结构单元设计调控超构材料的色散能带, 实现具有拓扑特性的光子传播模, 可以克服缺陷的散射实现单向的传输. 在更新的应用领域, 超构材料还被拓展用于实现信息超构材料和空间光子计算等.
应《物理学报》编辑部的邀请, 我们邀请了部分活跃在研究光学超构材料的第一线的中青年科学家, 组织了本期的专题. 专题文章包括如下几个方面: 在超构材料的等效介质模型及其应用方面,罗杰和赖耘教授报道了一种新的赝局域等效介质理论, 冯一军教授报道了通过掺杂近零介质的方式实现光场增强, 江海涛教授介绍了双曲超构材料的带隙调控效应, 刘仿和黄翊东教授介绍了双曲超构材料中切伦科夫辐射效应; 在超构材料变换光学方面, 郑斌和陈红胜教授综述了电磁隐身技术的进展, 陈焕阳教授报道了一种通过模拟黑洞实现完美吸收器, 刘辉教授综述了变换光学芯片上类比引力的研究进展; 在超构表面方面, 仇旻教授介绍了基于相变材料材料调控超构表面的进展, 孙树林和周磊教授介绍了等离激元超构表面实现波前调控的进展; 在拓扑光学方面, 陈子亭教授综述了传输线网络的拓扑性质, 宋道红、许京军和陈志刚教授介绍了平带光子结构的局域与拓扑性质, 伍瑞新教授报道了磁性光子晶体中的拓扑效应, 胡传灯和侯波教授报道了超构材料中的外尔点的数值设计, 韩德专和石磊教授综述了二维等离激元的束缚态与拓扑能带性质, 陈云天和徐竞教授综述了耦合波导体系中的互易与手征特性等; 在超构材料的新兴应用方面, 崔铁军教授综述了信息超构材料在微波成像与无线通信方面的应用, 马云贵教授介绍了超构材料的空域模拟光学计算的进展.本专题从不同的角度描述了超构材料的理论与实验方面的进展, 反映了此领域的一些现状, 希望对读者了解此前沿课题有所帮助.
2020, 69 (15): 150301.
doi: 10.7498/aps.69.20200258
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传输线电缆是一种生活中很常见的一维波导, 除了在工程上有广泛应用外, 也可以被应用于基础研究领域的一些理论验证性实验中. 例如, 因为传输线和量子电路具有相同的波动方程形式, 传输线被广泛应用于量子图的研究中. 另一方面, 传输线网络方程还和零能紧束缚模型的方程形式相似, 所以可以用传输线网络来验证基于紧束缚模型理论所预言的物理性质, 例如安德森局域化、能带结构、拓扑性质等. 本文从传输线网络方程出发, 回顾传输线在上面提到的几个研究方向中的具体应用. 这些研究方向分别为: 一维、二维、三维网络中的安德森局域化研究; 周期性以及准周期性网络中的能带结构; 传输线网络中角动量依赖的拓扑传输的验证. 本文详细阐述了这些工作的研究思路以及结果, 展现了传输线在基础研究领域的广泛应用潜力.
2020, 69 (15): 157301.
doi: 10.7498/aps.69.20200193
摘要 +
近些年来, 表面等离激元因其具有强局域、亚波长和高场强等特殊的光学性质而备受关注, 在化学、生物、通信、纳米能源等各领域得到了广泛的研究. 为了更好地控制表面等离激元的激发、传播和辐射, 具有能带结构的周期性表面等离激元结构被广泛的研究. 本文全面综述了具有等离激元能带的微纳结构、能带的产生机制与其特殊的性质, 包括连续谱中的束缚态、波导、全带隙、拓扑等. 在此基础上, 基于等离激元能带设计所开展的一些应用也予以系统总结. 最后, 随着新材料的发现, 本文还简要介绍了二维材料石墨烯等离激元能带和它的一些应用.
2020, 69 (15): 154104.
doi: 10.7498/aps.69.20200976
摘要 +
随着科技的发展, 隐身逐步从一种简单、朴素的视觉欺骗手段, 走向一种精准化、系统化的现代技术体系. 通过设计合理的电磁参数, 新型电磁波隐身技术能够灵活地调控电磁波的传播与散射, 从而降低被隐身物体的可探测性. 新型隐身器件的电磁参数可以通过人工设计微纳结构的方法来实现, 也可以结合自然界中已存在的介质来制备. 本文在详细介绍新型电磁波隐身研究进展的基础上, 探讨了这一领域所面临的难点和挑战, 并对未来的发展做了展望.
2020, 69 (15): 157804.
doi: 10.7498/aps.69.20200614
摘要 +
表面等离极化激元在片上信号传输、增强非线性/拉曼效应、生物/化学传感、超分辨成像等方面具有重要应用. 在这些应用中, 表面等离极化激元的近场传输及远场散射起着重要作用. 然而, 长期以来人们对相关物理效应缺乏简单有效的理论理解, 这也限制了人们对表面等离极化激元的自由调控. 本文首先简单回顾了表面等离极化激元的发展历史及现状, 接着着重介绍了表面等离极化激元的近场传输效应和远场散射效应, 包括其理论进展及其相关应用; 最后还介绍了表面等离极化激元的近场波前调控的相关方法. 基于这些进展, 人们对表面等离极化激元的散射特性有了更为深刻的理解和更加强大的调控能力, 这将对未来表面等离极化激元相关研究和应用带来启发.
2020, 69 (15): 157803.
doi: 10.7498/aps.69.20200283
摘要 +
空域模拟光学计算器件具备高通量、实时性和低能耗的信息处理能力. 光学超构材料结构紧凑、对光波具有强大调控能力, 可被用于构建小型化、集成化的空域模拟光学计算器件. 目前空域模拟光学计算器件的研究根据设计方法主要分为4F系统法和格林函数法两类. 4F系统法需要两个傅里叶变换透镜和一个空间频率滤波器, 实际模拟计算过程是在空域完成的, 结构较为庞大复杂. 格林函数法直接利用特别设计的光学材料的非局域响应在空间频率域实现模拟计算过程, 不需要额外的傅里叶变换组件, 结构简单. 本文按照这两种设计方法介绍了近几年来空域模拟光学计算器件的研究进展, 根据计算功能又分为微分器、积分器、方程求解器和空间频率滤波器, 阐述了这些器件的设计方法. 其后介绍了新近提出的利用自旋轨道耦合作用实现空域模拟一阶微分的计算器件. 最后对空域模拟光学计算器件应用场景和研究前景进行了讨论和分析.
2020, 69 (15): 157802.
doi: 10.7498/aps.69.20200183
摘要 +
光学超构材料是一种人工设计的微结构材料, 它的出现打破了传统材料设计思维的局域性, 为在微纳尺度上人为调控电磁波提供了新的范式, 实现了具有超越自然界常规材料的光学性质. 尤其是超构材料具有将光和电磁辐射耦合到亚波长尺度的能力, 满足了高速发展的现代科学技术对光学元器件的高性能、微型化以及集成化的新要求. 因此, 基于超构材料的光子芯片带来很多令人鼓舞的应用, 如突破衍射极限的完美成像、多功能的集成光学器件等. 更有意思的是, 超构材料光子芯片还可以用来模拟一些广义相对论的现象, 尤其是探索一些尚未被实验证实的与引力相关的现象. 本文从不同类型的超构材料芯片出发, 简要介绍了在光学超构材料芯片上开展的类比引力的研究, 最后对其发展现状、优势与面临的挑战进行了相应的总结与展望.
2020, 69 (15): 154101.
doi: 10.7498/aps.69.20200147
摘要 +
电磁场的汇聚与增强是电磁学中一个重要的研究内容, 具备场汇聚与增强特性的电磁(光学)器件在高方向性电磁天线、激光点火、光学调控等方面有着广泛的应用前景. 目前, 电磁场增强的途径主要有两种, 一是采用构造人工电磁材料结构以实现辐射方向的控制和能量集中, 其次是采用具有高介电常数或高磁导率的材料来实现电磁场增强, 但是上述两种方式应用在光学波段具有一些局限性. 本文基于光子晶体掺杂理论, 通过介质掺杂近零媒质的方式成功实现了光场增强功能. 理论分析和数值仿真计算表明所设计的结构能够显著实现场强增强, 并适用于微波至光波波段, 应用频谱范围很宽. 作为应用探索, 本文还设计了一款工作在270 nm波长的紫外光波段点火装置. 上述工作为新型电磁(光学)器件的研制提供了新的思路.
2020, 69 (15): 158101.
doi: 10.7498/aps.69.20200246
摘要 +
超材料是物理和信息领域的研究热点之一, 本文主要介绍信息超材料的研究进展. 不同于传统超材料的等效媒质参数表征, 信息超材料由物理单元的数字编码来描述, 通过控制不同的编码序列来实时地调控电磁波, 进而实现超材料的现场可编程功能. 由于在超材料的物理空间上构筑起数字空间, 因此可在超材料的物理平台上直接处理数字信息, 实现了信息系统微波射频和数字信息处理的统一. 本文系统介绍数字编码超材料、现场可编程超材料及信息超材料的基本概念及其调控电磁波的能力. 结合其数字表征的特点, 重点介绍定量描述信息超材料信息量的信息熵、对波束进行搬移的卷积定理、以及对多个波束进行独立调控的加法定理. 最后, 展示了基于信息超材料的可编程全息成像、新架构微波成像和无线通信系统, 实现了超材料的系统级应用.
2020, 69 (15): 154102.
doi: 10.7498/aps.69.20200198
摘要 +
光子晶体中的拓扑相变源自于其能带结构中带隙的打开-闭合-再打开, 其中伴随着能带结构中带序(或本征态)之间的交换. 本文探讨了偏置磁场方向对磁性光子晶体能带结构的影响, 它在构建拓扑边界态中的作用以及对边界态特性的影响. 结果表明: 反转偏置磁场方向会导致能量不同但宇称相同的本征态之间的交换, 这种交换为构造不同特性的拓扑边界态(如多重边界态等)提供了更多选择性. 根据边界两侧光子晶体能带结构的相对关系, 可以预测在边界上是否出现拓扑边界态以及边界态的主要特性.
2020, 69 (15): 154202.
doi: 10.7498/aps.69.20200453
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超表面光学完美结合了传统的几何、物理光学理论和前沿的纳米技术, 近年来引起科研工作者的广泛关注. 在线性光学领域, 它已广泛用于对光波的振幅、相位进行调控, 如平面透镜、全息成像和热辐射器件等. 在非线性光学领域, 针对它在高次谐波生成、超快激光器等方面的研究工作也方兴未艾. 本文分别从理论和应用角度, 分析总结了国内外超表面光学调控方向的研究进展, 重点介绍了利用相变材料实现动态光学调控的前沿研究工作, 并讨论了未来发展前景以及需要解决的难题.
2020, 69 (15): 154103.
doi: 10.7498/aps.69.20200260
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Cherenkov辐射(Cherenkov radiation, CR)是自由电子速度超过介质中光速时产生的电磁辐射, 其在粒子探测、生物医学、电磁辐射源等领域具有重要的应用价值. 近年来, 人们发现由不同材料和结构组成的超构材料具有新奇的力学、声学和光学特性. 电磁波在超构材料中的传播、耦合和辐射可以具有与传统材料完全不同的奇特性质. 将传统真空电子学与微纳光电子学结合, 探索自由电子与超构材料的相互作用, 成为近期不少研究者关注的热点之一. 超构材料的引入打破了传统材料和结构中电磁学规律的限制, 自由电子在其中产生的辐射以及与辐射的相互作用表现出许多新现象和新效应. 本文首先回顾了CR的基本概念和辐射原理, 在此基础上介绍了自由电子与双曲超材料、负折射率材料、高Q值超材料以及超表面相互作用产生辐射的相关工作, 重点阐述在这些不同功能的超构材料中产生CR的机理及其特性, 涉及的工作包括无阈值CR、反向CR、受激CR以及辐射偏振和相位的调控. 自由电子与各种新型超构材料相互作用的研究和发展, 为实现新型高效的集成化自由电子器件提供了新的途径.
2020, 69 (15): 154205.
doi: 10.7498/aps.69.20200084
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等频面的拓扑结构强烈影响光在材料中的行为. 通常组成光子晶体原胞的材料都是介电材料, 其等频面都具有相同的封闭拓扑结构. 结构最为简单的光子晶体是由两种介电材料交替组成的一维光子晶体. 然而, 这种传统的光子晶体在横磁和横电偏振下的光子带隙将随着入射角的增大而向短波方向移动, 既不利于全向带隙的产生与展宽, 又使得基于光子带隙的一些应用限制在很窄的入射角度范围内. 本综述利用双曲超构材料对电磁波相位的独特调控作用, 在由具有开放的等频面的双曲超构材料和具有封闭的等频面的普通介电材料交替组成的复合周期结构中实现了随入射角零移以及红移的特殊带隙, 为研制具有新型功能的光学器件提供了新机理. 基于零移带隙, 可设计具有固定带宽的全向反射器和宽角度的近完美光吸收器. 基于红移带隙, 可设计宽角度的偏振选择器和超灵敏折射率传感器.
2020, 69 (15): 154206.
doi: 10.7498/aps.69.20200194
摘要 +
波导中模式耦合是一种普遍的现象. 在光纤通信中不同导模之间的耦合会引起串扰, 导模和辐射模的耦合会降低导模的功率. 另一方面, 利用模式耦合现象能设计出具有特定功能的耦合器和分束器等光学器件. 模式耦合在光纤通信和光纤传感中也具有广泛应用. 因此, 分析研究波导模式如何耦合具有重要的应用价值. 模式耦合理论是研究波导中模式耦合的常用方法, 不仅提供了一种直观的物理图景来描述光学模式如何杂化, 而且还对相关模式如何杂化给出定量评估. 近年来, 以宇称时间对称性结构为代表的非厄米波导成为研究热点, 但传统模式耦合理论在这种情况下不再适用. 本文简述了模式耦合理论的发展历史, 详细介绍了构造互易波导模式耦合理论的关键概念和方法, 进一步回顾了在波导模式耦合理论方面的一系列代表性工作, 尤其是手征对称模式耦合理论以及广义模式耦合理论, 总结了这些模式耦合理论和传统模式耦合理论之间的联系, 最后简单介绍了它们在宇称时间对称波导及各向异性波导中的应用.
2020, 69 (15): 154207.
doi: 10.7498/aps.69.20200384
摘要 +
近年来, 凝聚态物理中平带局域与拓扑等概念与光学体系的有机结合, 使得平带光子学系统的研究迎来了极为快速的发展, 催生了一系列新颖的光物理现象与潜在的应用前景. 目前, 平带结构在光子晶体、光学超构材料以及光子晶格(倏逝波耦合的光学波导阵列)等多种人工光子微结构中得到了实现, 并在其中观察到了很多凝聚态系统中难以直接实现的物理现象. 本文简要综述光子微结构中关于平带物理的最新研究进展. 以光诱导和激光直写光子晶格系统为例, 包括Lieb, Kagome 和超级蜂窝晶格等, 特别介绍平带模式局域与实空间拓扑效应等新颖物理现象. 光子微结构为研究平带物理和拓扑效应提供了一个可调控的平台, 同时其研究结果也对探究电子、声子、等离激元、腔极化子与超冷原子等系统中相关的基本物理问题和应用具有借鉴作用.
2020, 69 (15): 154201.
doi: 10.7498/aps.69.20200110
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完美匹配层在电磁学仿真中具有关键作用, 它可以用有限空间模拟无限空间, 使得电磁波传播至边界和传播至无限远处无异. 内置完美匹配层具有类似的概念, 一般以柱体或者球体的形式置于物理场内部, 能够匹配边界上的电磁场, 使得电磁波传播在其凸面上如同传播至无限远处一样, 没有任何散射. 平面的吸收体除了完美匹配层, 还可以通过多种方式实现, 如Kramers-Kronig关系、光子晶体、超构材料等. 而内置曲面的吸收体常用到的有传统的完美吸收体、电磁“黑洞”等. 变换光学一直以来不断激发着研究者浓厚的研究兴趣, 因其能够通过坐标变换任意操控电磁波走向, 且具有非常广泛的应用, 也时常被用作设计吸收体的理论工具. 而就本文作者所知, 目前还没有非常有效的方式能够实现内置曲面吸收体的完美吸收、无反射, 且不依赖于入射角度和频率. 本文运用变换光学理论设计了一个内置完美匹配层, 该匹配层的材料参数由一个复平面的径向坐标变换得到. 通过平面波的电场图及二维远场图直观地一一对比分析匹配或不匹配的完美吸收体、电磁“黑洞”和该内置完美匹配层的吸收特性, 发现匹配的完美吸收体吸收效果较好, 电磁“黑洞”具有较大散射, 而内置完美匹配层具有相对最好的吸收效果, 且无后向散射, 可作为吸收内核用于电磁仿真以及相关实验中.
2020, 69 (15): 154203.
doi: 10.7498/aps.69.20200196
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有效介质理论在利用人工微结构材料拓展光学参数方面具有重要意义. 本文对电介质光子晶体等具有非局域性质的人工微结构材料发展了一种新的赝局域有效介质理论, 通过局域的有效介电常数${\overleftrightarrow \varepsilon ^{\rm{p}}}\left( \omega \right)$ 、局域的有效磁导率${\overleftrightarrow \mu ^{\rm{p}}}(\omega)$ 、以及额外的波矢${{{k}}_a}$ 来描述其光学性质. 研究发现, 该赝局域有效介质兼具局域和非局域介质的性质, 在与${{{k}}_a}$ 垂直的晶面上表现出局域介质的光学性质, 而在与${{{k}}_a}$ 平行的晶面则表现出非局域介质的光学性质, 如负折射、全反射等. 进一步研究表明, 对于所有入射角的光波在穿过拥有奇数层结构单元的赝局域有效介质时, 都会出现额外的$\text{π}$ 相位差, 基于此设计了一种全角度相位光栅. 相对于传统的光学材料, 赝局域介质具有更加丰富有趣的光学性质, 有望在未来应用到更多的新型光学器件设计之中.
2020, 69 (15): 154204.
doi: 10.7498/aps.69.20200195
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外尔半金属是指三维能带结构具有手性拓扑点简并特征的无能隙固体材料, 并且简并点附近的色散关系遵从外尔方程的描述. 它具有很多独特的电子输运性质, 比如: 费米弧表面态、负磁阻效应、手性朗道能级等. 类比电子系统的外尔半金属材料, 人们设计出理想外尔超构材料, 在电磁波体系里实现了频率一致的外尔点简并. 本文打破这种超构材料的镜面对称性, 通过数值计算发现了原本频率一致的外尔点出现了依赖手性的频移, 频移的正负由外尔点的手性决定, 因此实现了手性不同的外尔点在频率上的分离, 同时也检验了$\left\langle {001} \right\rangle $ 晶面上外尔点之间的费米弧表面态.
