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研究方向

       超材料指的是通过人工结构实现超常特性的一大类新型材料,有望成为一系列变革性技术的源头。超材料在基本结构、性能和实现方法上与常规材料完全不同,其各自的优势和劣势也泾渭分明:常规材料源于自然,易于获得而难于设计;超材料正好相反,易于设计,但在很多情况下却难于获得。我们提出了通过超材料与常规材料融合发展兼具超材料和常规材料优势的新型功能材料的思想,在此基础上发展出了介质基电磁超材料、自然超常介质、以及一些列基于超材料设计思想的常规材料,形成了广义超材料的概念,拓展了超材料的范畴和方法论价值,有望为材料性能的改进与提高提供了一种新的途径。课题组近期致力于利用超材料的思想构造人工功能原理和物理机制,发展具有优异性能的新型功能材料及人工物理、信息及智能系统。


1、介质超材料中的模态耦合与相关新功能

  介质电磁超材料具有低损耗、简单结构、可调谐等特点。以此同时,与金属超材料中的只有一个电磁谐振维度、承载单一谐振模态的单元结构不同,这类超材料的谐振单元具有三维几何结构,可在不同频率、不同方向上同时承载多个固有电磁谐振模态,当这些模态同时发生谐振时,会产生多种形式的相互作用和耦合。如被限制在陶瓷单元(meta-atom)内部的不同模态之间的强耦合、meta-atom之间由于近场相互作用发生的弱耦合,以及与结构相关的Mie谐振与构成超材料的电磁介质陶瓷中固有的谐振模态(如铁磁共振、晶格共振等)的耦合等。这些耦合特性决定了这类超材料可能发展出金属超材料所不具备的极其丰富的潜在新功能。课题组提出了利用这种耦合实现无非线性过程参与的全光调制效应、微波巨磁介电效应、以及基于meta-molecule阵列的可设计“准固体”的思想,并取得初步研究成果。


       

‍‍2、人工光学非线性材‍‍

  由于自然非线性材料物理过程复杂且不清晰,因此难以实现非线性的人工设计。基于超材料理念,课题组提出了一种全人工的光学非线性理论。由人工设计的超材料结构实现二阶、三阶及至高阶的光学非线性。人工非线性超材料物理图像清晰明确,设计自由度极高,应用领域包括微波、可见光的电磁波段以及导体和半导体材料,对现有非线性电磁和光学材料及器件研究产生了巨大影响,在光通信和光计算、新一代光电子器件、超快光学和先进电动力学等领域具有极大的应用价值。


  


3、光电直接转换超材料

  光电转换效应是能源、光电技术等关键领域的物理核心。基于光伏效应和半导体PN结的传统光电转换机制,物理过程复杂且受到量子力学的根本性限制,在转换速度、效率和适用波段等方面均存在诸多难以解决的问题。利用超材料局域磁电场重构特性,课题组提出了一种新型光电直接转换机制,利用人工超材料结构之间的相互磁电耦合,打破洛伦兹力的时间对称性,推动自由电子在物理边界聚积,将电磁波能量直接转换为直流电能,物理过程简单直接,具有飞秒级超快响应,各项物理特性均具有非常高的设计自由度。同时,该光电转换过程不需要半导体材料与光子能带匹配,如硅等常规半导体材料即可实现从微波到红外非常宽的频率转换,可望打破高性能半导体材料国产化短板。该方向的研究工作有望对超快光电探测、全频段光电子和新型光伏能量采集等领域产生变革性影响。



4、超宽带完美吸波材料

  常规的基于电磁谐振的超材料基吸波材料虽然吸波能量极强,但工作带宽受制于谐振的限制且十分的有限。因此,如何扩大超材料吸波带宽使其真正具有实际应用价值,是目前该领域面临的重要问题。课题组通过超材料的手段构建特定的频率色散行为,使电磁波在入射到这种具有一定厚度的超材料时,在其前后两个界面处的反射波的强度相当,相位在相当宽的频带内满足相干相消的关系,从而实现基于消反原理的极宽频带吸波材料。为实现这种特定的色散曲线,采用了三层堆叠的SRR结构,每个SRR的尺寸不同,分别提供不同频率下合适的磁导率,从而使其整体构成材料的折射率的色散满足消反,在6-40GHz的宽频带内实现吸波。



5、天然材料的非正定介电性质

  强各向异性虽然可以通过超材料来实现,然而这些超材料的制备通常需要复杂的微纳加工手段,不仅制备复杂,成本高昂,而且还通常有工作波段及带宽的限制。为解决这些问题,课题组从超材料的非正定产生机理出发,从具有二维导电机制的天然材料入手,在众多具有层状晶体结构的材料中,寻找并发现非正定介电的机制。目前,我们所发现的多种材料的非正定介电属性覆盖了从太赫兹到深紫外的广大电磁波谱,将会为超透镜的制备与应用提供广泛的材料来源。此外,通过对多种材料的非正定机制的研究、总结与归纳,提出了存在于天然材料的三种最典型非正定色散模型,通过对三种模型的组合,甚至可以描述具有复合非正定介电机制的材料属性。



‍‍6、负热膨胀机械超材料‍‍

  大多数自然材料都具有热胀冷缩的性能,往往会导致在极端温度环境下对过度变形,从而引起仪器的性能下降甚至彻底失效。为了解决这个问题,研究人员提出了负热膨胀材料的研究方向,即通过人工设计机械超材料的内部结构单元,采用常规正热膨胀的材料制作出具有热缩冷胀性能的新型材料。本研究采用反手性结构结合双材料杆,实现了具有负热膨胀性能的二维和三维机械超材料。这种超材料与常规正热膨胀材料结合,可实现材料整体的零刚度性能,从而避免材料在极端情况下由于热变形引起的失效。