我校在近零折射率材料领域取得重要进展

近日，太原理工大学物理与光电工程学院微纳光电子器件与技术团队在国际上提出使用普通的介质材料等效实现近零折射率材料特性的一种方法，并基于该方法设计了具有电磁波隧道效应的波导，相关研究成果“Broadband Electromagnetic Wave Tunneling with Transmuted Material Singularity”于2020年11月11日发表在物理学顶级学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为编辑推荐文章（Editors’ Suggestion）。本次也是理工大首次在PhysicalReviewLetters杂志上发表文章，刘一超副研究员为该论文的第一作者，孙非副研究员为通讯作者。论文主要合作者还包括太原理工大学杨毅彪教授、陈智辉教授、张建忠教授以及浙江大学何赛灵教授和马云贵教授(共同通讯作者)。

（波导中NZIF结构的电磁波隧道效应示意图）

近零折射率材料由于其材料参数的特殊性(具有奇点n»0)而展现出许多非凡的光学特性，比如电磁隧道效应、光捕获、定向辐射等，因而成为国际上的研究热点。近零折射率材料可以借助于人工超构材料、光子晶体或者特殊波导结构等方法实现，以前实现近零折射率材料的方法通常只能窄带工作，并且损耗对近零折射率介质的性能造成很大影响。针对该问题，变换光学及超材料研究团队提出了基于变换光学方法设计的“近零折射率功能（NZIF）结构”，该结构可以用普通电介质的材料实现，同时具有宽带低损耗的近零折射率材料特性。

研究团队通过设计了一个特殊波导（图1）来展示NZIF结构的电磁波隧道效应，并从传输线模型、波导模式理论、变换光学等多个角度分析了NZIF结构隧道效应的物理机制。该研究利用了变换光学中几何空间和电磁介质之间的等价对应关系，提出了通过几何结构复杂化来换取材料参数简单化的方法。研究团队通过理论计算和数值模拟验证了NZIF结构具有大带宽、低损耗、对某些缺陷不敏感以及加工的鲁棒性等多个优点。

这项工作获得了国家自然科学基金项目（61905208, 61971300,61775195, 62075196, 11674239），山西省高校科技创新计划STIP（2019L0146，2019L0159），和国家重点研发计划（2017YFA0205700）的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.207401