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专题 | 光学超构材料

已有 6082 次阅读 2020-9-10 21:42 |系统分类:论文交流

编者按

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。

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，罗杰和赖耘报道了一种新的赝局域等效介质理论，冯一军报道了通过掺杂近零介质的方式实现光场增强，江海涛介绍了双曲超构材料的带隙调控效应，刘仿和黄翊东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，郑斌和陈红胜综述了电磁隐身技术的进展，陈焕阳报道了一种通过模拟黑洞实现完美吸收器，刘辉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，陈子亭综述了传输线网络的拓扑性质，宋道红、许京军和陈志刚介绍了平带光子结构的局域与拓扑性质，伍瑞新报道了磁性光子晶体中的拓扑效应，胡传灯和侯波报道了超构材料中的外尔点的数值设计，韩德专和石磊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。

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