人工微结构材料中光、声以及其它元激发的调控

项目名称：人工微结构材料中光、声以及其它元激
发的调控
首席科学家：彭茹雯南京大学
起止年限：2012.1至2016.8
依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容
根据国家重大需求和国际前沿的科学问题，从现有的基础出发，本项目研究人工微结构材料中光、声以及等离激元和极化激元等的激发、传输和相互作用新规律，探索基于亚波长人工微结构的新型电磁和声材料与器件。

拟解决的关键科学问题包括以下四个方面:
第一，探索超构材料中诸如等离激元力、电磁模的量子干涉、耦合模的Fano 共振等新颖的物理效应，揭示元激发的近场耦合与光学现象之间的关联。

第二，关注于新型亚波长微结构与光子和等离激元的相互作用，探索线性和非线性等离激元晶体，利用相位(准相位)匹配实现对光子和等离激元能带结构的调控。

第三，发展人工带隙材料的拓扑理论，设计和实现具有时间反演对称破缺的超构材料，探索宇称和时间对称破缺的人工带隙材料中光和声的非对易传输问题。

第四，探索超构材料中声共振激发与耦合、倏逝波模式传输和转换的物理机制和调控方式，揭示声超构材料对声波谐波的激发规律，设计新原理声学器件。

主要研究内容包括：
围绕关键科学问题，本项目拟就下述内容展开深入研究。

（1）在元激发近场耦合和人工微结构中光学效应的调控方面，主要开展以下研究：
i) 研究超构材料中亚波长结构单元之间近场耦合所导致的各类新颖光学现
象，主要有：元激发近场耦合导致的亚波长传输与慢光效应；共振耦合所导致结构单元之间的等离激元力效应极其相关物理问题；元激发耦合所导致的单光子或多光子量子态的干涉、纠缠性质；模式耦合所导致Fano共振、Rabi 振荡等效应。

我们将分析这些共振耦合所导致的物理过程内在机制，建立共振耦合的理论模型，探索基于共振耦合效应的新型超构材料与光子器件。

ii) 考察具有近场模式耦合的金属与非线性/增益介质相结合的复合人工微结构中新颖物理过程，探索具有亚波长特征的倍频、光参量放大等频率转换方法；考察多个混合型波导结构之间的耦合模性质，探索利用非线性过程来调控亚波长等离激元波传播的途径；研究受结构影响的泵浦光与信号光之间关联性质，寻找利用增益介质实现亚波长光传播的动态调控手段。

以光子集成为目标，设计与制备能实现如开关、分束、滤波等功能的基于等离激元的有源新型亚波长光子材料和器件。

iii) 推广全波的电磁场散射和多重散射以及衍射动力学理论，考察在三维空间及二维平面内具有近场耦合特征的人工结构体系中的异常光散射和衍射性质。

研究具有特殊各向异性、空间非局域性的人工结构对光传播、散射、衍射等性质的影响。

研究微结构对等离激元表面波的波形变化与传播操控，在此基础上设计和制备一些具有特殊功能的亚波长人工微结构。

iv) 研究幻象光学的机理和条件，试图突破变换光学的局限，找到更简单的隐身和幻象器件参数，为将来的实验研究提供思路。

具体包括：幻象光学的多重散射机理；幻觉光学和电磁诱导透明之间的关联性；在某些特定情况和应用下，简化对隐身器件和幻象器件的要求；从实际材料出发设计具体的隐身器件和幻象器件，并通过有限元或多重散射数值模拟来展现幻象光学的多种应用。

（2）在亚波长微结构中光子和等离激元的能带结构与相位调控方面，主要开展以下研究：
i) 研究人工亚波长微纳结构中传播的等离激元与局域的等离激元之间的相互
作用，利用各种空间调制的表面结构以及单个结构单元的构型变化来实现对表面等离激元的调控。

研究“线性”和“非线性”等离激元晶体等，通过精心设计微结构来实现对光子和等离激元能带结构的调控，揭示该系统中非线性光学新效应及非线性增强的新机制，为发展基于元激发的新一代信息载体提供科学依据。

ii) 研究不同组合和不同调制方式下金属和介电人工亚波长微纳结构中电磁共振的物理本质，研究一些多层亚波长组合结构中电共振和磁共振在同一频率相互转换的物理效应，探讨其物理本质, 在不同波段设计、制备和表征新型负折射材料。

iii) 研究由多层不同微结构构成的等离激元级联材料中电磁波的传播规律，提出并实现“通过材料结构级联实现物理功能级联”的设想。

通过材料设计和优化，实现对光的传输效率、偏振模式、共振囚禁、增强吸收等功能的集成和调制。

研究等离激元、极化激元等元激发与多层微纳亚波长结构的相互作用以及元激发的辐射效应，在相关系统中引入量子点材料，实现与等离激元相关的自发辐射增强效应。

（3）在人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声方面，主要开展以下研究：i）通过与电子系统中拓扑序和拓扑分类方法的类比，研究人工带隙材料和超构材料中光和声的拓扑序和类量子相变，据此提供一种可类比的宏观量子系统以研究微观量子效应，并探索研究人工带隙材料中宏观类量子效应所带来的新物理效应、新现象和可能存在的应用。

ii）开展具有新奇对称性的超构材料拓扑性质的研究。

构造具有奇特拓扑对称性的超材料，研究这些超构材料的能带色散的拓扑特征, 并进行拓扑分类，研究其量子拓扑相变的过程，并与凝聚态理论的一些现象进行类比，得到光学和声学领域中新的效应。

iii）开展光和声在人工微结构中非对易传输的研究。

深入研究各类非对易系统的内在拓扑本质，更深刻地认识其非对易性起源，并基于此设计并做成光和声的二极管、隔离器、环路器等原型器件。

在集成光子芯片上争取实现可集成的光波非互易传播，最终实现新型的光二极管、光晶体管、光隔离器等原理型器件。

在磁光、磁电光子晶体波导中实现PT对称性的自发对称破缺，以及光的非互易传播。

在光子晶体或者LN、LT集成光学系统中引入非线性效应实现全光二极管。

探索在通讯波段或可见光波段构建具有旋磁电效应的超材料实现光的非互易传播可行性。

（4）在超构材料对声场的调控及相关新原理声学器件方面，主要开展以下研究:
i) 研究超构材料中的微观声学模式耦合效应和宏观声波调控行为。

以超构材
料基本微结构单元的声学振动模式为研究重点，考察微单元本征声学振动模式的激发、声学倏逝波模式与本征模式相耦合、并通过微单元间共振/非共振耦合效应而得到增强传输的物理机制，探索其中的模式转换过程。

ii) 探索超构材料在亚波长高分辨率声成像中的应用，发展声学超透镜新原理器件。

设计构建不同类型、具备某些特殊性质的流体基声学超构材料单元，并组装成薄层平板透镜；以声线和声波方程两类分析方法，研究声波经过声学超透镜聚焦后的行为，获得透镜成像性能参数和超构材料结构参数之间的关系模型，寻找优化方法。

iii) 通过构建特殊的超构材料，在线性情况下获得其色散关系和该结构的等效密度与等效体积模量，并分析不同频段的声波在其中的相位传播方向与能量传播方向之间的关系。

在此结构中考虑材料的非线性，获得高次谐波的传播随材料长度、声压的变化规律，实现对高次谐波能流的有效控制。

iv) 建立基于声二极管效应及压电效应的声整流器件模型，系统研究亚波长尺度系统中声整流现象产生的物理机制及描述方法，探索有效提高器件中谐波转化效率的途径。

建立管状声超构材料的非线性模型，研究在不同声压强度下材料的结构参数对其负密度、负模量、负速度以及传输禁带等特异声学性能的影响。

同时，研究利用管状超构材料的传输禁带抑制热声热机中的非线性谐波的方法，研制基于超构材料的新型热声热机。

二、预期目标
本项目的总体目标：
通过研究超构材料中诸如等离激元力、电磁模的量子干涉等新颖的物理效应，揭示元激发的近场耦合与人工微结构光学现象之间的关联；通过研究新型亚波长微结构与光子和等离激元的相互作用，探索线性和非线性等离激元晶体，利用相位和准相位匹配实现对光子和等离激元能带结构的调控；发展人工带隙材料的拓扑理论，设计和实现具有时间反演对称破缺的超构材料，探索宇称和时间对称破缺的人工带隙材料中光和声的非对易传输问题；探索超构材料中声共振激发与耦合、倏逝波模式传输和转换的物理机制和调控方式，揭示声超构材料对声波谐波的激发规律，设计新原理的声学器件。

通过本项目的实施，期望揭示人工微结构材料中光、声、等离激元的新效应和新现象，发展亚波长光子学和等离激元学，发展新型电磁和声超构材料和技术。

在科学研究平台、队伍建设及总体水平方面，通过本项目的实施，我们期望在亚波长微结构研究的几个主要领域进入国际前沿。

取得一批高水平的成果，发表一批具有重要国际影响的学术论文，拥有自主知识产权。

培养一批具有创新意识、思维活跃、立足国内量子调控研究领域的科技人才，建设和完善具有国际前沿水平的量子调控基地。

五年预期目标:
1、揭示等离激元超构材料中复杂电磁耦合模的基本物理性质，明确这些近场耦合过程在等离激元力、元激发量子性质等新颖光学效应中扮演的角色；掌握其中基本的物理规律，并通过它对新型超构材料的性质进行人工调控。

2、揭示不同组合和不同调制方式的金属和介电亚波长微纳结构中元激发的产生和演化规律，揭示传播型等离激元与局域型等离激元之间的相互作用，利用具有周期、准周期和分形等特征的表面结构以及单个结构单元的构型变化来实现对等离激元的相位调控，构筑“线性”和“非线性”等离激元晶体和准晶体，实现对光子
和等离激元能带结构的调控，揭示该系统中非线性光学新效应及非线性增强的新机制，为发展基于元激发的新一代信息载体提供科学依据。

3、揭示金属和介电亚波长微结构中电磁共振的物理本质，给出一些实现负折射材料的新途径。

推广多重散射和衍射动力学理论，发展基于等离激元表面波的波前调制方法，实现几种新颖的亚波长波束，完成几类纳光子传播和操控的器件原型。

阐明实现远程隐身和幻象光学的多重散射机理，并据此构建出新型的较简单的隐身和幻象器件。

4、发展基于对称性破缺实现光和声在人工带隙材料与电子可以类比的量子力学对应理论，研制这类材料的原型。

发展一套非互易光子、声子带隙材料的计算方法，设计并探索实验上实现可调谐折射类型和单通类型的方案。

发展光和声的拓扑特性分析的理论模型，并能计算光子晶体和超构材料的能带色散的拓扑序，并研究其拓扑量子相变过程。

能够对各类人工带隙晶体、超构材料进行基本的拓扑分类。

5、在光波导上实现可集成的光波非对易传播，最终实现新型的光二极管、光晶体管、光隔离器等原理型器件。

在光子晶体波导中实现宇称和时间对称性的自发对称破缺，以及光的非对易传播。

在光子晶体波导中引入非线性介质实现全光二极管。

探索在通讯波段或可见光波段构建手性超材料实现光的非对易传播。

6、提出定量表征线性超构材料中微观声学振动模式调控宏观声波行为的有效模型；建立描述倏逝波模式的场增强幅度与超构材料关键参数依赖关系的物理模型，揭示利用超构材料参数调控声倏逝波传输行为的声学机制。

在此基础上，发展具有亚波长超高分辨率的低损耗宽带声成像技术。

7、研究超构材料中线性与非线性声学性能，揭示高次谐波在超构材料中传播的内在机理，建立基于超构材料的声二极管和热声热机的非线性模型。

在此基础上，探索提高声二极管器件中谐波转化效率的有效途径。

同时，抑制热声热机中非线性高次谐波，降低非线性效应在谐振管和板叠中引起的能量损失。

8、丰富和发展微纳加工制备新方法和新技术，制备出不同组合和不同调制方式的二维和三维人工亚波长微纳结构。

丰富和发展表征超构材料和亚波长结构的实
验手段；丰富和发展测量微纳结构中表面等离激元和磁极化激元等元激发性质的实验方法。

9、发表一批高质量学术论文，形成一批有自主知识产权的专利技术。

三、研究方案
1、学术思路：
本项目立足于研究人工微结构材料与光、声以及其它元激发的相互作用，以光、声以及其它元激发的调控为中心和重点，以发现新奇光、声和其它元激发现象、解释这些新效应、寻找调控光、声以及其它元激发的新方法和新技术为基本思路，争取在亚波长微结构的几个主要研究领域在国际上占有一席之地，在若干方向上达到国际前沿地位。

在研究方案设置上，本项目一方面通过研究新型亚波长微结构与光子和等离激元的相互作用，探索线性和非线性等离激元晶体，利用相位和准相位匹配实现对光子和等离激元能带结构的调控；通过研究超构材料中诸如电磁感应透明、等离激元力以及电磁模的量子干涉等新颖的物理效应，揭示元激发的近场耦合与人工微结构光学现象之间的关联；通过发展人工带隙材料的拓扑理论，设计和实现具有时间反演对称破缺的超构材料，探索宇称和时间对称破缺的人工带隙材料中光和声的非对易传输问题；通过探索超构材料中声共振激发与耦合、倏逝波模式传输和转换的物理机制和调控方式，揭示声超构材料对声波谐波的激发规律，设计新原理的声学器件。

通过本项目的实施，期望揭示人工微结构材料中光、声、等离激元的新效应和新现象，发展亚波长光子学和等离激元学，发展新型电磁和声超构材料和技术。

2、技术途径：
本项目的技术路线将坚持实验紧密结合理论分析的原则，按照由简单系统到复杂系统的步骤循序渐进，将探索有关光、声以及其它元激发的新现象与设计新型功能性微结构紧密结合, 最终实现基于新现象、新概念和新效应的光和声以及其它元激发调控手段，形成具有我国特色的基于人工带隙材料、超构材料和亚波长微结构的光和声以及其它元激发调控初步框架。

具体的研究方案和技术路线见下图：
3、创新点与特色：
本项目的主要创新点与研究特色包括：
（1）与传统超构材料研究相比，本项目更注重超构材料光学性质的微观机理，突出强调了超构材料中元激发的近场耦合效应，及其与材料外在光学表现之间的内在关联。

并且近场耦合效应导致的多样化的非线性过程也较之传统的无源结构提供了更为丰富的调控手段。

（2）基于亚波长金属和介电微结构，利用各种空间调制的表面结构以及单个结构单元的构型变化来实现对等离激元的调控。

实现“线性”和“非线性”
等离激元晶
体、准晶体和分形等，利用相位（准相位）匹配实现对光子和等离激元能带结构的调控。

（3）在人工带隙材料中引入时间和空间反演对称性和拓扑性质的考虑，可从更广的人工设计参数、对称性和材料选择方面研究光和声的类比电子系统的量子物理效应，并发现一系列新颖的物理现象，开发设计一系列新型的光子和声子器件。

更重要的是这一类新的玻色系统中量子拓扑序的研究，将量子效应的研究从微观电子系统拓展到宏观的光和声波系统，更有利于揭示量子关联和量子拓扑学的本质，也会促进费米系统的研究，对于凝聚态拓扑物理的研究也具有重要的意义。

（4）从时空对称性的角度考虑非互易光子晶体中本征值的存在形式和类型，即研究频率与波矢的关系，包括相速度与群速度的关系、无限大相速度处的奇特性质和光子的颤动、光的反常量子霍尔效应、光的Rashba效应以及光拓扑绝缘体等新的物理效应和应用，探索设计具有非对易传输特性的多功能集成器件。

（5）以超构材料中微单元局部声学模式与声倏逝波耦合的理论研究为指导，探索超构材料的新声学效应，认识结构与性能的关系，重点突出倏逝波模式的共振/非共振耦合传输过程及其增强机理。

（6）选择新一代声学功能器件（亚波长声成像、声整流器件、热声热机等）所需的超构材料为研究对象，将超构材料对声波操控的原理结合到新原理声学器件设计中，发展声学器件的新方法和新理论，通过优化设计超构材料的结构及参数来有效增强器件的工作效率，并探索此类器件的实际应用。

（7）探索基于聚焦离子束和电子束刻蚀等技术的亚波长结构制备新方法。

结合微加工技术和自组织生长，发展几类超构材料的新制备方法。

4、课题设置：
根据国家需求和国际前沿，立足于自身的优势学科和前期工作基础，我们选择了“人工微结构材料中光、声以及其它元激发的调控”作为研究重点，围绕拟解决的关键科学问题，设置了四个课题。

具体安排如下：
课题一、元激发近场耦合和人工微结构中光学效应的调控
课题二、亚波长微结构中光子和等离激元的能带结构与相位调控
课题三、人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声的研究
课题四、超构材料对声场的调控及相关新原理声学器件的研究
这四个课题是围绕“人工微结构材料中光、声和其它元激发的调控”这一主线，既有一定独立性，各自又有侧重点，同时它们相互关联、互相交叉、互相支持。

其基本的思路是揭示人工微结构材料中光、声、等离激元的新效应和新现象，发展亚波长光子学和等离激元学，发展新型电磁和声超构材料和技术。

课题一和课题二分别是从结构单元的短程局域性和长程非局域性两个层面开展研究，其内禀性质分别表现为光和元激发的近场耦合特性以及光子和等离激元能带结构等，从而利用人工微结构材料可以对光传输、透射、散射、非线性等性质进行操控。

近年来在固体材料中发现的拓扑量子序，对人工微结构中光、声性质的调控具有很大的启发性，因而本项目专门设置课题三“人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声的研究”，期望发展人工带隙材料的拓扑理论，设计和实现具有时间反演对称破缺的超构材料，探索宇称和时间对称破缺的人工带隙材料中光和声的非对易传输问题。

课题四“超构材料对声场的调控及相关新原理声学器件的研究”则研究超构材料对声的调控。

一方面，可以类比和借鉴电磁超构材料研究中已经认识的规律，将它们运用于声超构材料系统中，揭示超构材料中声和相关其它元激发的激发和传输规律，设计新原理的声学器件。

另一方面，声超构材料的发展又会给电磁超构材料的研究带来新的启示，激发新一轮的电磁超构材料的研究。

具体关系可以如下图：
课题一、元激发近场耦合和人工微结构中光学效应的调控
研究内容：
1）研究超构材料中亚波长结构单元之间近场耦合所导致各类新颖光学现象，主要有：近场耦合导致特殊色散与慢光效应；电磁感应透明效应及光子局域态性质；新颖的等离激元力效应及其相关物理问题；元激发耦合的量子态的干涉、纠缠性质等。

2）考察金属与非线性/增益介质相结合的混合人工微结构中新颖物理过程，探索具有亚波长特征的倍频、光参量放大等频率转换方法；寻找利用增益介质实现亚波长光传播的动态调控手段。

3）推广全波的电磁场散射和多重散射以及衍射动力学理论，考察在三维空间及二维平面内特殊人工结构体系中的异常光散射和衍射性质。

研究具有特殊各向异性、空间非局域性的人工结构对光传播、散射、衍射等性质的影响。

4）研究幻象光学的机理和条件，试图突破变换光学的局限，找到更简单的隐身
和幻象器件参数，以为将来的实验研究提供思路。

研究目标：
1) 揭示等离激元超构材料中复杂电磁耦合模的基本物理性质，明确这些近场耦
合过程在等离激元光力、元激发量子性质等新颖光学效应中扮演的角色；掌握其中基本的物理规律，并通过它对新型超构材料的性质进行人为调控。

2）发展基于等离激元表面波衍射动力学和波前调制方法，并展示几类具有亚波长调制特性的等离激元结构设计实现纳光子传播和操控的器件原型；阐明远程隐身和幻象光学的多重散射机理，并据此构建出新型的较简单的隐身和幻象器件。

3）探索人工金属结构与非线性介质结合下模式可控的光参量过程，阐明其中复杂的多模式耦合波过程；设计基于非线性光参量频率转换的纳光子集成方案，演示几种基于非线性调控的新型的纳光子学元器件如：光学开关、光存贮器、光学传感器等。

4）通过增益介质的和泵浦控制光的引入实现对超构材料中光传播行为的调控，揭示有源等离激元波导中外场对等离激元信号的调制规律，阐明波导中的等离激元信号受激辐射特性与机制，演示一至两种基于等离激元的有源光子器件原型。

承担单位：南京大学承担，苏州大学参与
课题负责人：李涛
学术骨干：王振林，陈卓，高雷，赖耘
课题经费比例：23.4%
课题二、亚波长微结构中光子和等离激元的能带结构与相位调控
研究内容：
1) 研究人工亚波长微纳结构中传播型等离激元与局域型等离激元之间的相互作
用，利用各种空间调制（如周期、准周期、分形特征等）的表面结构以及单个结构单元的构型变化来实现对表面等离激元的调控。

研究“线性”和“非线。