人工微结构材料中光、声以及其它元激发的调控

工程名称：人工微构造材料中光、声以及其它元激发的调控

2023.12023.8教育部一、关键科学问题及争辩内容拟解决的关键科学问题包括以下四个方面:Fano共振等颖的物理效应，提醒元激发的近场耦合与光学现象之间的关联。其次，关注于型亚波长微构造与光子和等离激元的相互作用，探究线性(准相位)匹配实现对光子和等离激元能带构造的调控。的超构材料，探究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。机制和调控方式，提醒声超构材料对声波谐波的激发规律，设计原理声学器件。主要争辩内容包括：围绕关键科学问题，本工程拟就下述内容开放深入争辩。争辩：争辩超构材料中亚波长构造单元之间近场耦合所导致的各类颖光学现象，主要有：元激发近场耦合导致的亚波长传输与慢光效应；共振耦合所导致构造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预、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，探究基于共振耦合效应的型超构材料与光子器件。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构造源型亚波长光子材料和器件。及二维平面内具有近场耦合特征的人工构造体系中的特别光散射和衍射性质。争辩具有特别各向异性、空间非局域性的人工构造对光传播、散射、衍射等性质的影响。争辩微构造对等离激元外表波的波形变化与传播操控，在此根底上设计和制备一些具有特别功能的亚波长人工微构造。身和幻象器件参数，为将来的试验争辩供给思路。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亮之间的关联性；在某些特定状况和应用下，简化对隐身器件和幻象器件的要求；从实际材料动身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呈现幻象光学的多种应用。以下争辩：作用，利用各种空间调制的外表构造以及单个构造单元的构型变化来实现对外表等离激元的调控。争辩“线性”和“非线性”等离激元晶体等，通过细心设计微构造来实现对光子和等离激元能带构造的调控，提醒该系统中非线性光学效应及非线性增加的机制，为进展基于元激发的一代信息载体供给科学依据。争辩不同组合和不同调制方式下金属和介电人工亚波长微纳构造中电磁率相互转换的物理效应，探讨其物理本质,在不同波段设计、制备和表征型负折射材料。出并实现“通过材料构造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、增加吸取等功能的集成和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加效应。构材料中光和声的拓扑序和类量子相变，据此供给一种可类比的宏观量子系统以争辩微观量子效应，并探究争辩人工带隙材料中宏观类量子效应所带来的物理效应、现象和可能存在的应用。ii〕开展具有颖对称性的超构材料拓扑性质的争辩。构造具有惊奇拓扑对ii〕开展具有颖对称性的超构材料拓扑性质的争辩。构造具有惊奇拓扑对,并进展拓扑分类，争辩其量子拓扑相变的过程，并与分散态理论的一些现象进展类比，得到光学和声学领域中的效应。iii〕开展光和声在人工微构造中非对易传输的争辩。深入争辩各类非对易系统的内在拓扑本质，更深刻地生疏其非对易性起源，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。探究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。:争辩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。以超构材料根本微构造单元的声学振动模式为争辩重点，考察微单元本征声学振动模/非共振耦合效应而得到增加传输的物理机制，探究其中的模式转换过程。器件。设计构建不同类型、具备某些特别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，争辩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构造参数之间的关系模型，查找优化方法。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。在此构造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把握。度系统中声整流现象产生的物理机制及描述方法，探究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，争辩在不同声压强度下材料的构造参数对其负密度、负模量、负速度以及传输禁带等特异声学性能的影响。同时，争辩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型热声热机。二、预期目标本工程的总体目标：通过争辩超构材料中诸如等离激元力、电磁模的量子干预等颖的物理效学，进展型电磁和声超构材料和技术。沿水平的量子调控基地。:1、提醒等离激元超构材料中简单电磁耦合模的根本物理性质，明确这些近场耦根本的物理规律，并通过它对型超构材料的性质进展人工调控。2、提醒不同组合和不同调制方式的金属和介电亚波长微纳构造中元激发的产生线性”和“非线性”等离激元晶体和准晶体，实现对光子机制，为进展基于元激发的一代信息载体供给科学依据。3、提醒金属和介电亚波长微构造中电磁共振的物理本质，给出一些实现负折射的隐身和幻象器件。4、进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分类。55、在光波导上实现可集成的光波非对易传播，最终实现型的光二极管、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加幅度与超构材料关键参数依靠关系的物理模具有亚波长超高区分率的低损耗宽带声成像技术。7、争辩超构材料中线性与非线性声学性能，提醒高次谐波在超构材料中传播的性高次谐波，降低非线性效应在谐振管和板叠中引起的能量损失。8、丰富和进展微纳加工制备方法和技术，制备出不同组合和不同调制方式试验方法。9、发表一批高质量学术论文，形成一批有自主学问产权的专利技术。三、争辩方案1元学，进展型电磁和声超构材料和技术。2本工程的技术路线将坚持试验严密结合理论分析的原则，依据由简洁系统型功能性微构造严密结合,见以下图：3、创点与特色：本工程的主要创点与争辩特色包括：与传统超构材料争辩相比，本工程更留意超构材料光学性质的微观机理，供给了更为丰富的调控手段。基于亚波长金属和介电微构造，利用各种空间调制的外表构造以及单个构造和“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构造的调控。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，可从更质，也会促进费米系统的争辩，对于分散态拓扑物理的争辩也具有重要的意义。争辩频率与波矢的关系，包括相速度与群速度的关系、无限大相速度处的惊奇Rashba效应以及光拓扑绝缘体等的物理效应和应用，探究设计具有非对易传输特性的多功能集成器件。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争辩为指导，探究/非共振耦合传输过程及其增加机理。选择一代声学功能器件〔亚波长声成像、声整流器件、热声热机等〕所来有效增加器件的工作效率，并探究此类器件的实际应用。微加工技术和自组织生长，进展几类超构材料的制备方法。4、课题设置：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构造中光学效应的调控课题二、亚波长微构造中光子和等离激元的能带构造与相位调控课题三、人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声的争辩课题四、超构材料对声场的调控及相关原理声学器件的争辩这四个课题是围绕“人工微构造材料中光、声和其它元激发的调控”这一主线，既有肯定独立性，各自又有侧重点，同时它们相互关联、相互穿插、相互支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构造等，从而利用人工微构造材料可以对光传输、透射、散射、非线性等性质进展操控。很大的启发性，因而本工程特地设置课题三“人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声的争辩调控光和声的争辩”，期望进展人工带隙材料的拓扑理论，设计和实现具有时间具体关系可以如以下图：争辩内容：要有：近场耦合导致特别色散与慢光效应；电磁感应透亮效应及光子局域态性质；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预、纠缠性质等。考察金属与非线性/增益介质相结合的混合人工微构造中颖物理过程，探究实现亚波长光传播的动态调控手段。二维平面内特别人工构造体系中的特别光散射和衍射性质。争辩具有特别各向异性、空间非局域性的人工构造对光传播、散射、衍射等性质的影响。争辩幻象光学的机理和条件，试图突破变换光学的局限，找到更简洁的隐身和幻象器件参数，以为将来的试验争辩供给思路。争辩目标：1)提醒等离激元超构材料中简单电磁耦合模的根本物理性质，明确这些近场耦其中根本的物理规律，并通过它对型超构材料的性质进展人为调控。长调制特性的等离激元构造设计实现纳光子传播和操控的器件原型；说明远程隐身和幻象光学的多重散射机理，并据此构建出型的较简洁的隐身和幻象器件。探究人工金属构造与非线性介质结合下模式可控的光参量过程，说明其中简单光学传感器等。提醒有源等离激元波导中外场对等离激元信号的调制规律，说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。课题负责人：李涛课题经费比例：23.4%争辩内容：争辩人工亚波长微纳构造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〕的外表构造以及单个构造单元的构型变化来实现对外表等离激元的调控。争辩“线性”和“非线性”基于元激发的一代信息载体供给科学依据。争辩不同组合和不同调制方式下金属和介电人工亚波长微纳构造中电磁共振互转换的物理效应，探讨其物理本质,在不同波段设计、制备和表征型负折射材料。3〕“通过材料构造级联实现物理功能级联”争辩等离激元、极化激元等元激发与多层微纳亚波长构造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加效应。争辩目标：1)提醒不同组合和不同调制方式的金属和介电亚波长微纳构造中元激发的产生和演化规律，提醒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外表构造以及单个构造单元的构型变化来等离激元晶体和准晶体，实现对光子和等离激元能带构造的调控，提醒该系统中非线性光学效应及非线性增加的机制，为进展基于元激发的一代信息载体供给科学依据。探讨外表等离激元与磁等离极化激元等元激发的辐射效应以及元激发与多层〔如等离激元天线和天线阵等。〔如外表等离激元与磁等离极化激元等〕的关系，提醒共振现象发生的物理本质；通过转变入射光的偏振在同一微纳构造中实现电共振和磁共振的同频率转换,提醒其物理本质,给出实现负折射材料的途径。担当单位：南京大学担当，南京工业大学参与课题负责人：彭茹雯课题经费比例：30.0%课题三、人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声的争辩课题三、人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声的争辩争辩内容：1)在人工带隙材料的争辩中引入时间反演对称性和拓扑序，争辩可类比电子系中可能存在的诸如单通边界态狄拉克点四周的抖动、光的反常量子霍尔效Rashba效应以及光拓扑绝缘体等的物理效应和应用。2〕具有颖对称性的超构材料拓扑性质的争辩。构造具有惊奇拓扑对称性的超2〕具有颖对称性的超构材料拓扑性质的争辩。构造具有惊奇拓扑对称性的超并与分散态理论的一些现象进展类比，得到光学和声学领域中的效应。3〕开展光和声在人工微构造中非对易传输的争辩。在硅基波导上合理地引入具有能量增益或者耗散系统，分别破缺空间反演对称性和时间反演对称性，从而实现可集成光子系统中的非对易传输，并基于类似的原理设计出相应的可芯片集成化的光隔离器。探究在通讯波段或可见光波段构建手性超材料实现非对易传输的可能性。深入争辩各类非对易系统〔PT系统、含时扰动系统、非线性光学系统、非绝热系统等〕的内在拓扑本质，更深刻地生疏其非对易争辩目标：1)进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算方法，设计并探究试验上实现可调谐折射类型和单通类型的方案。带色散的拓扑序，并争辩其拓扑量子相变过程。能够对各类人工带隙晶体、超构材料的进展根本的拓扑分类。体管、光隔离器等原理型器件。在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。探究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。课题负责人：卢明辉课题经费比例：23.3%争辩内容：建立描述超构材料特异声学行为的有效模型，争辩其中的微观声学模式耦合效应和宏观声波调控行为。考察微单元本征声学振动模式的激发、声学倏逝/非共振耦合效应而得到增加传输的物理机制，探究其中的模式转换过程。材料长度、声压的变化规律，实现对高次谐波能流的有效把握。选择一代声学功能器件〔亚波长声成像、声整流器件、热声热机等〕所需及参数来有效增加器件的工作效率，并探究此类器件的实际应用。争辩目标：提出定量表征线性超构材料中微构造单元的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加幅度与超构介质关键参数依靠超构材料中的特别传播性质的内在机理，说明非线性效应以及超构材料的色散对高次谐波激发的影响，为高次谐波成像的应用奠定理论根底。特定频带〔5-10MHz医用超声频带〕内获得全角度负折射，区分率有进一步突破。争辩超构材料中线性与非线性声学性能，建立基于超构材料的声二极管和谐振管和板叠中引起的能量损失。课题经费比例：23.3%四、年度打算

争辩内容 预期目标争辩微纳构造中的近场耦合导致1.建立适用于等离激元模式的光力的等离激元力，元激发的量子特性，理论体系对元激发量子特性有初步等离激元波的色散和衍射特性以及的生疏并通过耦合调控构造出颖不同构造体系中支持的局域与扩展的等离激元波形提醒外表等离激元模式和它们之间的相互作用。 近场耦合与扩展模式之间的相互作用规律。第 2.争辩人工亚波长微纳构造中传播型等离激元与局域型等离激元之间 2.提醒不同组合和不同调制方式的一 的相互作用争辩各种空间调制的表 金属和介电亚波长微纳构造中元激面构造以及单个构造单元的构型变 发的产生和演化规律提醒传播型等年 化对外表等离激元的调控作用。

离激元与局域型等离激元之间的相争辩基于量子力学的型的光 以及不同构型的构造单元来子声子能带计算算法进展光和声 实现对等离激元的相位调控。构材料中电磁波的传播的相互耦合 3.进展与电子系统可类比的量子波作用及其物理机制。 争辩内容 预期目标开展对亚波长声人工构造中线性 形态特征能量辐射和光谱与非线性声波传播特性的理论争辩，属性之间相互关联的模型。声学模式耦合效应和宏观声波调控 4.初步说明超构材料对线性与非线行为。 性声波进展调控的内在机制和声波在超构材料传播的规律。发表高质量学术论文30-40篇，5-8争辩等离激元微腔的模式特性以 1.提醒等离激元微腔特性的调控规合的Fano共振特性争辩 电磁元激发对非经典光量子第 元激发对透射光子的偏振路径纠缠 特性的影响提醒微构造近场耦合对等量子性质争辩微构造对等离激元 等离激元传播的调控机制以及利用二 波散射衍射等性质以及与非线性介 介质调控的原理。质结合的调控特性。年争辩“线性”和“非线性”等离

利用二维、三维“线性”和“非争辩内容统中非线性光学效应及非线性增加型亚波长光电材料和器件。引入时间反演对称性和拓扑序，争辩人工带隙材料中光波和声波的性。构建超构材料的有限元仿真模热声热机等一代声学功能器件模型。工程争辩进展中期总结。

预期目标型亚波长光电材料和器件。探究人工带隙材料中的诸如量子建立基于超构材料的原理声学理。发表高质量学术论文30-40篇，5-8争辩内容 预期目标争辩利用金属半导体微纳构造中 1.提醒增益关心的等离激元微腔中的元激发耦合问题探究电鼓励产生 受激辐射