零折射率材料应用

1、零折射率材料应用研究背景研究背景(1)：光子晶体的概念：光子晶体的概念光子晶体：是一类介电常数在空间周期性变化的光子晶体：是一类介电常数在空间周期性变化的光学材料，其材料介电常数空间变化周期为光波光学材料，其材料介电常数空间变化周期为光波长数量级。当光波在其中传播时，由于周期性导长数量级。当光波在其中传播时，由于周期性导致的光波的布拉格散射，可有效调制光在其中的致的光波的布拉格散射，可有效调制光在其中的传输和色散特性。这种基于传输和色散特性。这种基于Bragg机制产生的光机制产生的光子带隙在实际应用中带来两个问题。一方面，它子带隙在实际应用中带来两个问题。一方面，它造成光学波段的光子晶体由于周

2、期结构的晶格常造成光学波段的光子晶体由于周期结构的晶格常数过小而难以制备。另一方面，它使得微波波段数过小而难以制备。另一方面，它使得微波波段的光子晶体的周期长度过大而不利于器件的小型的光子晶体的周期长度过大而不利于器件的小型化和集成化。化和集成化。 研究背景研究背景(1)：光子晶体的特点：光子晶体的特点光子晶体的基本特点：光子晶体的基本特点： （2）光子局域）光子局域（1）光子禁带）光子禁带 Photonic Band Gap在光子晶体中人为引入破坏其介电常数在光子晶体中人为引入破坏其介电常数周期结构的缺陷，在光子晶体带隙中就周期结构的缺陷，在光子晶体带隙中就有可能产生相应的缺陷能级。原本处于

3、有可能产生相应的缺陷能级。原本处于被禁止传播频率范围的光波，就会以与被禁止传播频率范围的光波，就会以与缺陷能级频率相对应的特定频率在结构缺陷能级频率相对应的特定频率在结构中传播。中传播。 研究背景研究背景(1)：光子晶体的分类：光子晶体的分类(1) 根据排列方式不同，光子晶体可以分为根据排列方式不同，光子晶体可以分为一维、二维和三维光子晶体。一维、二维和三维光子晶体。 1-D PC2-D PC3-D PC(2) 根据构成材料不同，光子晶体分为介质结根据构成材料不同，光子晶体分为介质结构光子晶体，介质金属结构光子晶体、磁性构光子晶体，介质金属结构光子晶体、磁性材料光子晶体等等材料光子晶体等等 研

4、究背景研究背景(1)：光子晶体的制备：光子晶体的制备精密机械加工法、半导体制造技术、胶体自精密机械加工法、半导体制造技术、胶体自组织法、激光微制造法、激光全息制造法组织法、激光微制造法、激光全息制造法LPKF公司的Protomat M100/HF制板机 Agilent公司的8722ES网络分析仪 实验室制备的微带光子晶体 研究背景研究背景(2)：特异材料的概念：特异材料的概念特异材料：特异材料，又被称作特异材料：特异材料，又被称作Metamaterials，结构的周期长度远小于电磁波波长，整个结构对结构的周期长度远小于电磁波波长，整个结构对入射电磁波的响应可以用有效介质理论入射电磁波的响应可以

5、用有效介质理论 (等效介等效介电常数和等效磁导率电常数和等效磁导率) 来描述。局域在各个微小来描述。局域在各个微小单元中的电磁场之间将发生共振耦合，类似单元中的电磁场之间将发生共振耦合，类似LC电路中的电磁波振荡的结构。这种局域共振电路中的电磁波振荡的结构。这种局域共振 (locally resonance) 机制同样会导致通带和阻机制同样会导致通带和阻带的出现。带的出现。研究背景研究背景(2)：特异材料的分类：特异材料的分类介电常数和磁导率可以很好地描述材料对于电磁波的响应，介电常数和磁导率可以很好地描述材料对于电磁波的响应，因而可以按照这两个参量对材料进行分类因而可以按照这两个参量对材料进

6、行分类 在自然界中，金属在低于其等离子振荡频率时，具有负在自然界中，金属在低于其等离子振荡频率时，具有负的介电常数，铁氧体、铁磁和反铁磁系统在磁谐振频率的介电常数，铁氧体、铁磁和反铁磁系统在磁谐振频率附近，具有附近，具有MNG的特性的特性 研究背景研究背景(2)：特异材料：特异材料的制备的制备（a）细金属线，实现负介电常数材料；（b）开口谐振环，实现负磁导率材料。 最早实现负折射的人工复合结构，有细金属线和开口共振环组成 R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, Science 292, 77 (2001). 概概 要要 条件苛刻：气相原子，强条件苛

7、刻：气相原子，强激光，低温激光，低温/磁场磁场与凝聚态系统相比，与凝聚态系统相比，metamaterial在空间尺度和在空间尺度和时间尺度有更大的调节范围，更容易研究凝聚态时间尺度有更大的调节范围，更容易研究凝聚态系统中不容易观察到得量子动力学现象。系统中不容易观察到得量子动力学现象。凝聚态系统有很多量子动力学现象比如：凝聚态系统有很多量子动力学现象比如：Bloch振振荡、量子荡、量子EIT、 Fano共振、共振、Rabi分裂等。分裂等。概概 要要 Rabi分裂分裂Rabi分裂的概念：分裂的概念： 当一个二能级系统，如原子、激子或量子阱放入一个光学微腔中当一个二能级系统，如原子、激子或量子阱放

8、入一个光学微腔中时，激子与腔模时，激子与腔模(光子光子)则会产生强耦合共振系统，即空腔偏极子则会产生强耦合共振系统，即空腔偏极子(cavity palaritions)。在强耦合作用下，激子的自发辐射或能级跃迁将受到腔。在强耦合作用下，激子的自发辐射或能级跃迁将受到腔局域模的强烈调制而出现拉比分裂局域模的强烈调制而出现拉比分裂(Rabi splitting) Rabil分裂分裂问题：问题：解决办法：解决办法：量子点极微小的尺寸，如何将其定量子点极微小的尺寸，如何将其定位在峰值处位在峰值处 我们提出在腔中放入零折射率材料，有助于我们提出在腔中放入零折射率材料，有助于解决定位问题。因为电磁波在零折

9、射率材料解决定位问题。因为电磁波在零折射率材料中场强的空间分布恒定（相位空间分布恒中场强的空间分布恒定（相位空间分布恒定），所以把量子点放在零折射材料中任何定），所以把量子点放在零折射材料中任何位置，所产生的拉比分裂程度都相同。位置，所产生的拉比分裂程度都相同。 Rabil分裂分裂Schematic of a 2D square-lattice PhC microcavity in x-y plane. The radius and refractive index of the silicon nanorods in background polymer are 114.6 nm and 3

10、.48, respectively. The refractive index of polymer is 1.45 and the lattice constant is 430 nm. The blue dotted circle with radius of 220 nm denotes a ZIM region and the red dotted ellipse denotes a zone for calculating intensities. 2-D PCRabil分裂分裂(1) 普通介质腔普通介质腔:simulationsimulationRabil分裂分裂(2) ZIM腔腔:simulationsimulationRabil分裂分裂(3) 微带线实验微带线实验:概概 要要 结论与展望结论与展望结论结论:含有含有ZIM材料的二维光子晶体腔，由于其腔内的均材料的二维光子晶体腔，由于其腔内的均匀场可以实现腔中任意位置分裂程度无差别的匀场可以实现腔中任意位置分裂程度无差别的Rabi分裂。分裂。（1）ZIM腔能为以后研究量子与光子的相互作用提供了一腔能为以后研究