零折射率材料应用

零折射率材料应用第1页，共26页，2023年，2月20日，星期四研究背景(1)：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Bragg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。第2页，共26页，2023年，2月20日，星期四研究背景(1)：光子晶体的特点光子晶体的基本特点：

（2）光子局域（1）光子禁带PhotonicBandGap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，就会以与缺陷能级频率相对应的特定频率在结构中传播。第3页，共26页，2023年，2月20日，星期四研究背景(1)：光子晶体的分类(1)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。1-DPC2-DPC3-DPC(2)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、磁性材料光子晶体等等第4页，共26页，2023年，2月20日，星期四研究背景(1)：光子晶体的制备精密机械加工法、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LPKF公司的ProtomatM100/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

第5页，共26页，2023年，2月20日，星期四研究背景(2)：特异材料的概念特异材料：特异材料，又被称作Metamaterials，结构的周期长度远小于电磁波波长，整个结构对入射电磁波的响应可以用有效介质理论(等效介电常数和等效磁导率)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LC电路中的电磁波振荡的结构。这种局域共振(locallyresonance)机制同样会导致通带和阻带的出现。第6页，共26页，2023年，2月20日，星期四研究背景(2)：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，因而可以按照这两个参量对材料进行分类在自然界中，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MNG的特性

第7页，共26页，2023年，2月20日，星期四研究背景(2)：特异材料的制备（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,andS.Schultz,Science292,77(2001).

第8页，共26页，2023年，2月20日，星期四概要零折射率材料(ZIM)中的Rabi分裂

研究背景

结论与展望

metamaterials中的若干类量子现象第9页，共26页，2023年，2月20日，星期四metamaterial中的若干类量子现象条件苛刻：气相原子，强激光，低温/磁场…与凝聚态系统相比，metamaterial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：Bloch振荡、量子EIT、Fano共振、Rabi分裂等。第10页，共26页，2023年，2月20日，星期四概要零折射率材料中的Rabil分裂

研究背景

结论与展望

metamaterials中的若干类量子现象第11页，共26页，2023年，2月20日，星期四Rabi分裂Rabi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时，激子与腔模(光子)则会产生强耦合共振系统，即空腔偏极子(cavitypalaritions)。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(Rabisplitting)

第12页，共26页，2023年，2月20日，星期四Rabil分裂问题：解决办法：量子点极微小的尺寸，如何将其定位在峰值处我们提出在腔中放入零折射率材料，有助于解决定位问题。因为电磁波在零折射率材料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位置，所产生的拉比分裂程度都相同。第13页，共26页，2023年，2月20日，星期四Rabil分裂Schematicofa2Dsquare-latticePhCmicrocavityinx-yplane.Theradiusandrefractiveindexofthesiliconnanorodsinbackgroundpolymerare114.6nmand3.48,respectively.Therefractiveindexofpolymeris1.45andthelatticeconstantis430nm.Thebluedottedcirclewithradiusof220nmdenotesaZIMregionandthereddottedellipsedenotesazoneforcalculatingintensities.

2-DPC第14页，共26页，2023年，2月20日，星期四Rabil分裂(1)普通介质腔:simulationsimulation第15页，共26页，2023年，2月20日，星期四Rabil分裂(2)ZIM腔:simulationsimulation第16页，共26页，2023年，2月20日，星期四Rabil分裂(3)微带线实验:第17页，共26页，2023年，2月20日，星期四概要零折射率材料(ZIM)中的Rabi分裂

研究背景

结论与展望

metamaterials中的若干类量子现象第18页，共26页，2023年，2月20日，星期四结论与展望结论:含有ZIM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Rabi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个平台（2）展望:下一步希望能够在2-DPCslab中实现Rabi分裂第19页，共26页，2023年，2月20日，星期四Achievinglaserignitionusingzeroindexmetamaterials第20页，共26页，2023年，2月20日，星期四第21页，共26页，2023年，2月20日，星期四第