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用于声波调控的五模式超材料王兆宏*，蔡成欣，楚杨阳，刘广顺西安交通大学电子科学与技术系物理电子与器件教育部重点实验室，西安 710049摘要：五模式超材料由于具有各向异性的弹性模量，在声波调控和声隐身方面有重要的潜在应用，因此受到了国内外的广泛关注。
本文从五模式超材料的基本概念出发，对布拉格散射型五模式超材料的声学性质、弹性及力学性质的研究进展进行详细介绍，进一步介绍了我们所研究的局域共振型五模式超材料的声学和弹性性质，并对五模式超材料的数值计算方法、加工制备和测试技术进行详细介绍。
另外还对五模式超材料的目前尚未解决的科学及工程问题进行分析讨论。
受到结构调控的局域共振型五模式超材料兼具各向异性弹性模量和局域共振型声子晶体低频完全声子禁带的特性，为低频声波减振降噪及低频声隐身带来新的设计思路。
关键词：声波调控；五模式超材料；布拉格散射；局域共振中图分类号：TB33 文献标志码：APentamode metamaterials for acoustic wave controlZhaohong Wang*, Chengxin Cai, Yangyang Chu and Guangshun LiuKey Laboratory for Physical Electronics and Devices of the Ministry of Education & Department of Electronic Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, ChinaAbstract: Pentamode Metamaterials (PMs) with anisotropic elastic tensor have potential applications for acoustic cloaking, so it is attracted a lot of research interest. In the review, pentamode materials and their recent progress are introduced. It includes the concept of PMs, the acoustic and elastic properties of Bragg scattering PMs and Local resonant type of PMs. The fabrications and measurement methods are also introduced. PMs perturbed structures have advantages of anisotropic elastic tensor and 3D complete acoustic bandgap, therefore they provide a way for low-frequency acoustic cloaking.Keywords: acoustic wave control; pentamode metamaterials; Bragg scattering; local resonanceDOI:10.3969/j.issn.1003-501X.2017.01.003 Citation: Opto-Elec Eng, 2017, 44(1): 34‒481 引言超材料(Metamaterial)是一类新型的人工合成材料，通常由周期性或者非周期性的人工微结构排列而成，具备天然材料所不具备的奇特物理性质。
微波腔与超导人工原子和固体元激发强耦合体系的物态调控1. 引言1.1 概述近年来，微波腔与超导人工原子以及固体元激发强耦合体系的研究引起了广泛的关注。
这些研究在量子信息、量子计算和量子模拟等领域具有重要的应用前景。
微波腔作为一种特殊的谐振腔系统，可以用于储存和操作微波场，并且具有良好的相干性能。
超导人工原子是通过在超导电路中加入人工构造的原子结构而形成的一种新型量子比特系统，其具备长寿命、可调谐性和高度可控性等优点。
而固体元激发则是指材料中电子能带间跃迁产生的准粒子，例如激光中的光子、晶格中的声子等。
1.2 文章结构本文将围绕微波腔与超导人工原子以及固体元激发强耦合体系展开讨论。
首先，在“2. 微波腔与超导人工原子的基本介绍”部分中，我们将介绍微波腔和超导人工原子各自的基本概念、原理以及特性，并探讨它们之间的耦合机制。
接下来，在“3. 固体元激发强耦合体系的物态调控方法”部分中，我们将介绍固体元激发的物理性质，以及超导量子比特在固体元激发系统中的应用。
我们还将探讨固体元激发强耦合体系的物态调控方法及实验进展。
随后，我们将在“4. 超导人工原子与固体元激发强耦合体系的相互作用研究进展”部分中综述当前超导人工原子和固体元激发强耦合这两方面研究的现状，并结合其相互作用进行物态调控效果和机制分析。
最后，在“5. 结论”部分，我们将对本文进行总结，并对未来的挑战与展望进行讨论。
1.3 目的本文旨在系统地介绍微波腔与超导人工原子以及固体元激发强耦合体系在物态调控方面的最新研究进展，并分析其应用前景。
通过深入了解微波腔、超导人工原子和固体元激发这些主要概念和原理，我们可以更好地掌握它们的物态调控方法，为相关领域的研究提供理论基础和实验指导。
此外，我们还将探索超导人工原子与固体元激发强耦合体系的相互作用，并讨论其在新型器件和应用方面的潜力。
通过本文的阐述，读者将对微波腔、超导人工原子和固体元激发强耦合体系有一个全面而深入的了解，以及相关研究中所面临的挑战和未来发展方向。
有序微结构材料是指由具有特定形状和大小的微结构单元组成的材料。
这些微结构单元的设计及组装调控对材料的性能具有重要影响。
在有序微结构材料中，微结构单元的形状、尺寸、排列方式等参数都可以通过合理设计和精密组装来实现。
本文将重点探讨有序微结构材料的基元设计及组装调控的相关内容。
1. 有序微结构材料的基元设计有序微结构材料的基元设计是指通过调控微观结构单元的形状、尺寸、组成等参数，实现对材料性能的精细调控。
基元设计涉及到材料的化学成分、晶体结构、形貌特征等方面。
在基元设计中，可以通过合理选择材料的组成元素，调控晶格结构，控制晶粒尺寸和形貌等方式来实现有序微结构材料的设计。
2. 有序微结构材料的组装调控有序微结构材料的组装调控是指将设计好的微结构单元按照一定的规律组装成具有特定结构和性能的材料。
这涉及到微结构单元之间的相互作用、排列方式、组装方法等方面。
在组装调控中，可以通过界面工程、表面修饰、自组装等手段来实现微结构单元的有序组装。
3. 基元设计与组装调控的结合应用有序微结构材料的性能往往受基元设计和组装调控的共同影响。
基元设计决定了单个微结构单元的性质，而组装调控则决定了微结构单元之间的相互作用和整体性能。
将基元设计与组装调控相结合，可以实现对有序微结构材料的全方位调控。
4. 发展趋势及展望随着纳米技术、材料科学等领域的快速发展，有序微结构材料的基元设计及组装调控将会成为材料研究的重要方向之一。
未来，随着科学技术的进步，人们将能够更加精确地设计和组装微结构单元，实现对材料性能的精细调控。
有序微结构材料将会在能源、环境、生物医学等领域发挥重要作用，为人类社会的可持续发展做出贡献。
有序微结构材料的基元设计及组装调控是材料科学研究中的重要课题，对于推动材料科学的发展和应用具有重要意义。
通过合理设计和精密组装，有序微结构材料将会为人类社会带来更多的创新和发展机遇。
5. 实际应用领域有序微结构材料的基元设计及组装调控在多个领域具有广泛的应用前景。
人工微结构超表面的光场调控物理及其应用1.概述人工微结构超表面是一种具有微纳米级结构的表面材料，通过对其结构进行精确设计可以实现对光场的高度调控。
在过去的几年中，人工微结构超表面已经被广泛应用于光通信、光学成像、光子器件等领域，展现出了巨大的潜力和应用前景。
2.人工微结构超表面的结构和原理2.1 结构设计人工微结构超表面的结构设计是实现光场调控的关键。
其结构可以由一维或二维的周期性微结构组成，通过对微结构的周期、形状和尺寸进行精确设计，可以实现对光场的干涉、衍射和透射等调控效应。
2.2 光学原理人工微结构超表面的光学原理主要包括多级衍射、干涉和透射等效应。
在特定的结构设计下，人工微结构超表面可以实现对入射光波的相位和振幅进行精确调控，从而实现对光场的高度调制。
3.光场调控物理3.1 相位调制人工微结构超表面可以通过调控其周期结构和材料参数，实现对入射光波的相位进行调制。
相位调制技术可以实现对光波的相位延迟和相位差的精确控制，从而可以实现超分辨成像、光束整形等应用。
3.2 振幅调制人工微结构超表面也可以实现对光波的振幅进行调制。
通过调控微结构的衍射效应和透射效应，可以实现对光波的振幅增强或抑制，从而可以实现对光波的聚焦、散射控制等应用。
4.应用领域4.1 光通信人工微结构超表面可以实现对光波的波前调制和光束整形，可以在光通信系统中实现高速调制和复用解复用，从而提高光通信系统的传输容量和传输速率。
4.2 光学成像人工微结构超表面可以实现超分辨成像，通过对入射光波的相位调制和振幅调制，可以实现对目标的超分辨成像和成像深度增强。
4.3 光子器件人工微结构超表面可以应用于光学器件的设计和制备，可以实现对光波的波前整形、光路调制等功能，可以应用于激光器、光学传感器、光学存储器等领域。
5.未来展望人工微结构超表面的光场调控物理及其应用在光学领域具有广阔的应用前景和潜力。
随着纳米制造技术和光学原理的不断发展，人工微结构超表面在光通信、光学成像、光子器件等领域将发挥越来越重要的作用。
人工微结构物态调控
人工微结构物态调控是利用人工制备的微结构材料，通过调控其结构和组分，以达到调控其物态的目的。
这种调控可以通过改变物态的相变温度、相变速率、相变路径等参数来实现。
主要包括以下几个方面的调控方法：
1. 结构调控：通过控制材料的结构参数，如晶粒尺寸、晶界尺寸、结构缺陷等，来调控其物态。
例如，通过控制晶粒尺寸和晶界尺寸，可以调控材料的力学性能、热传导性能等。
2. 组分调控：通过改变材料的成分，调控其物态。
例如，通过改变合金材料的配比，可以调控其相变温度、硬度、电导率等性能。
3. 界面调控：通过调控材料与界面之间的相互作用，来调控材料的物态。
例如，通过改变材料与周围环境的界面能量，可以调控材料的相变速率、表面形貌等。
4. 外界场调控：通过外界场(如温度、电场、磁场等)的作用，来调控材料的物态。
例如，通过施加电场或磁场，可以改变材料的晶格结构，实现相变或形态调控。
人工微结构物态调控在材料科学领域具有广泛的应用前景。
它可以用于制备新型的功能材料，提高材料的性能，改善材料的稳定性，以及实现材料的多功能调控等。
基于人工微结构的经典波调控及新型器件设计基于人工微结构的经典波调控及新型器件设计摘要：本文介绍了基于人工微结构的经典波调控及新型器件设计。
通过对微米级别的人工结构的设计和制备，将波传播方向和能量分布做出精确控制和调整。
从理论和实验两个方面对该技术的应用进行了详细的研究和探究。
同时提出了一种新型的微结构器件设计思路，该器件可以实现高效的波调控，具有广泛的应用前景。
关键词：人工微结构；经典波调控；新型器件设计1.前言人工微结构技术作为一种将材料科学、物理学、化学等多个领域相融合的新兴技术，在近年来得到了越来越广泛的应用。
该技术利用先进的加工技术和微米纳米级别的材料制备工艺，可以制造出能够精确控制电磁、声波、光学等波的传播方向及能量分布的微结构和器件。
其中，基于人工微结构的经典波调控和新型器件设计是该技术领域的一个热点及难点问题。
本文主要探索这些问题的解决方案。
2.基于人工微结构的经典波调控基于人工微结构的经典波调控指的是利用微米级别的人工结构对经典波如电磁波、声波、弹性波等进行精确控制和调节。
这种技术的应用广泛，例如可以应用在电子器件中实现信息的传输和处理，应用在医学领域中进行超声波成像等，还可以应用在材料科学中对材料的表征和分析等方面。
实验结果显示，对于一些材料，利用人工微结构可以使得电磁波出现衍射、反射等现象，同时调整微结构形状和周期可以实现对电磁波传播方向和能量分布的精确控制。
在此基础上，研究人员设计了一种新型的微结构，通过结构的改变和参量的改变实现了对电磁波进行调控。
3.新型器件设计基于人工微结构的经典波调控需要一种高效的器件来实现其应用。
在此基础上，我们提出了一种新型器件的设计思路。
该思路基于电磁波的线性调制原理，利用半导体中能隙的调节来实现对电磁波的调制。
该器件的优点是体积小、可重复使用、调制速度快等。
实验显示，该器件可以实现对电磁波的高效调制和控制。
未来，该器件可能应用在光通信、光控制、传感器等领域。
人工微结构材料与器件----穷究物理、顶天立地物理与光电学院人工光声微结构物理与材料团队2016年，一群从国内外高校和科研院所引进到华南理工大学物理与光电学院的中青年科研人员组成团队，成立了人工光声微结构物理与材料实验室。
团队负责人为国家杰出青年基金获得者、全球高被引科学家李志远教授，现有团队核心成员包括李志远、李锋、黄学勤、虞华康4位教授，梁文耀、陈宝琴、陆久阳、邓伟胤4位副教授，以及马佳洪高级实验员。
几年来，受益于学校双一流学科经费、广东省引进创新创业团队重大项目、国家科技部重点研发专项课题、国家自然科学基金等经费的支持，以及团队成员的刻苦勤奋、潜心攻关、开拓进取，团队获得了快速的发展。
团队以人工微结构物理与材料为主线，在微纳光子学、拓扑声学和光学、激光技术、3D微纳制造、原子分子和纳米尺度的量子物理、光物理和光谱学等领域，做出了多项有特色的研究成果。
材料是当前世界新技术革命的三大支柱之一，与信息技术、生物技术一起构成了21 世纪世界最重要和最具发展潜力的三大领域之一。
激光和超声这两个当今人类社会普遍使用的信息技术的载体（如光纤通信、显微成像、超声检测、生化传感），亟需在信息容量密度、信息处理速度、信息获取效率、信息传输效率等关键指标方面进一步提升，也需要在光波和声波与被探测物体（如微观世界的原子、分子、生物大分子等，以及宏观世界的人体内部组织等）的相互作用规律的掌握和提炼方面进一步加深认识，以获得更好的应用。
人工微结构作为新材料技术最具代表性的发展方向之一，自20 世纪90 年代起，便在全球范围内逐步掀起了研究热潮。
由于纳米技术从根本上改变了材料和器件的制造方法，使得人工微结构材料在光、声、电、磁、机、热等方面呈现出常规材料不具备的许多特性，突破了传统材料的局限性。
以表面等离激元金属微纳结构、光/声子晶体、光/声学超材料、光/声学超表面等为代表的人工光/声微结构材料极大地丰富了光场、声场的调控手段和方式，为新一代激光和超声信息技术的革新提供了强大的助力。
国家重大科学研究计划2012年立项项目清单项目编号项目名称项目首席2012CB910100 代谢相关蛋白质修饰在肿瘤发生发展过程中的作用及机制赵世民复旦大学教育部上海市科学技术委员会2012CB910200 天然免疫应答相关蛋白的鉴定、结构与功能舒红兵武汉大学教育部湖北省科学技术厅2012CB910300 泛素－蛋白酶体：系统性发现其底物、发掘新作用机制及其生物学意义秦钧军事医学科学院放射与辐射医学研究2012CB910400 重要G蛋白偶联受体的结构与功能研究及配体发现刘明耀华东师范大学教育部上海市科学技术委员会2012CB910500 植物表观遗传机制与重要调控蛋白质的功能和结构研究沈文辉复旦大学教育部上海市科学技术委员会2012CB910600 蛋白质定量新方法及相关技术研究张丽华中国科学院大连化学物理研究所中国科学院2012CB910700 肿瘤发生发展中关键蛋白的功能与调控肖智雄四川大学教育部四川省科学技术厅2012CB910800 炎症诱导肿瘤的分子调控网络研究林安宁中国科学院上海生命科学研究院上海市科学技术委员会中国科学院2012CB910900 植物表观遗传调控及其在重要发育过程中的作用机制及结构基础研究邓兴旺北京大学教育部2012CB911000 蛋白质的生成、修饰与质量控制 Sarah Perrett 中国科学院生物物理研究所中国科学院2012CB911100 病毒与宿主细胞相互作用分子机制的研究于晓方吉林大学教育部2012CB911200 端粒相关蛋白对人类重大疾病作用机制的研究刘俊平杭州师范大学浙江省科学技术厅2012CB921300 极端条件下量子输运的研究和调控牛谦北京大学教育部2012CB921400 异质界面诱导的新奇量子现象及调控龚新高复旦大学教育部上海市科学技术委员会2012CB921500 人工微结构材料中光、声以及其它元激发的调控彭茹雯南京大学教育部2012CB921600 受限空间中光与超冷原子分子量子态的调控及其应用贾锁堂山西大学山西省科学技术厅2012CB921700 功能关联电子材料及其低能激发与拓扑量子性质的调控研究鲍威中国人民大学教育部2012CB921800 全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现肖敏南京大学教育部2012CB921900 光场调控及与微结构相互作用研究王慧田南开大学教育部天津市科学技术委员会2012CB922000 氧化物复合量子功能材料中的多参量过程及效应陆亚林中国科学技术大学中国科学院2012CB922100 囚禁单原子(离子)与光耦合体系量子态的操控詹明生中国科学院武汉物理与数学研究所中国科学院2012CB932200 纳米金属材料的多级结构制备及优异性能探索研究卢柯中国科学院金属研究所中国科学院2012CB932300 纳米材料功能化宏观体系的构筑和性能研究姜开利清华大学教育部2012CB932400 光功能导向的硅纳米结构高效、可控制备及其应用的基础研究张晓宏中国科学院理化技术研究所中国科学院2012CB932500 肝癌治疗的新型纳米药物研究杨祥良华中科技大学教育部2012CB932600 纳米界面生物分子作用机制的基础研究及其在前列腺癌早期检测中的应用樊春海中科院上海应用物理研究所中国科学院2012CB932700 新型高性能半导体纳米线电子器件和量子器件徐洪起北京大学教育部2012CB932800 高比能直接甲醇燃料电池关键纳米材料与纳米结构研究杨辉上海中科高等研究院中国科学院上海市科学技术委员会2012CB932900 纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面问题研究王春儒中国科学院化学研究所中国科学院2012CB933000 基于扫描探针技术的纳米表征新方法研究白雪冬中国科学院物理研究所中国科学院2012CB933100 高频磁性纳米材料的电磁性能调控及其在磁性电子器件中的应用薛德胜兰州大学教育部2012CB933200 高效节能微纳结构材料体系研究杨振忠中国科学院化学研究所中国科学院2012CB933300 基于纳米技术的肺癌早期检测研究赵建龙中国科学院上海微系统与信息技术研究所中国科学院上海市科学技术委员会2012CB933400 石墨烯材料的宏量可控制备及其应用基础研究石高全清华大学教育部2012CB933500 面向高性能计算机超结点的关键微纳光电子器件及其集成技术研究郑婉华中国科学院半导体研究所中国科学院2012CB933600 多级微纳结构生物活性材料促进骨组织快速修复的研究刘昌胜华东理工大学教育部上海市科学技术委员会2012CB933700 新型铜基化合物薄膜太阳能电池相关材料和器件的关键科学问题研究肖旭东中国科学院深圳先进技术研究院中国科学院2012CB933800 仿生可控粘附纳米界面材料张广照中国科学技术大学中国科学院2012CB933900 纳米材料在骨、牙再生修复中的生物学过程研究林野北京大学教育部2012CB934000 基于肿瘤微环境调控的抗肿瘤纳米材料设计和机制研究聂广军国家纳米科学中心中国科学院2012CB934100 微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究刘晓为哈尔滨工业大学工业和信息化部2012CB934200 新型微纳结构硅材料及广谱高效太阳能电池研究李晋闽中国科学院半导体研究所中国科学院2012CB934300 基于纳米材料的太阳能光伏转换应用基础研究戴宁中国科学院上海技术物理研究所上海市科学技术委员会中国科学院2012CB944400 雌性生殖细胞减数分裂的分子基础孙青原中国科学院动物研究所国家人口和计划生育委员会中国科学院2012CB944500 心脏与肝脏发育和再生的遗传调控研究彭金荣浙江大学教育部浙江省科学技术厅2012CB944600 生殖细胞基因组结构变异的分子基础金力复旦大学上海市科学技术委员会教育部2012CB944700 排卵障碍相关疾病发生机制研究陈子江山东大学教育部山东省科学技术厅2012CB944800 植物胚乳发育及储藏物质累积的分子调控机制研究薛红卫中国科学院上海生命科学研究院上海科学技术委员会2012CB944900 辅助生殖诱发胚胎源性疾病的风险评估和机制研究黄荷凤浙江大学教育部浙江省科学技术厅2012CB945000 上皮组织的形成、更新及其调节机理朱学良中国科学院上海生命科学研究院中国科学院上海市科学技术委员会2012CB945100 血管发育和稳态维持的遗传及表观遗传机制杨晓中国人民解放军军事医学科学院生物工程研究所2012CB955200 东亚季风区年际-年代际气候变率机理与预测研究刘征宇北京大学教育部2012CB955300 全球典型干旱半干旱地区气候变化及其影响黄建平兰州大学教育部2012CB955400 全球变化与环境风险关系及其适应性范式研究史培军北京师范大学教育部2012CB955500 气候变化对人类健康的影响与适应机制研究刘起勇中国疾病预防控制中心卫生部2012CB955600 太平洋印度洋对全球变暖的响应及其对气候变化的调控作用谢尚平中国海洋大学教育部2012CB955700 气候变化对社会经济系统的影响与适应策略黄季焜中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院2012CB955800 气候变化经济过程的复杂性机制、新型集成评估模型簇与政策模拟平台研发王铮中科院科技政策与管理科学研究所2012CB955900 全球气候变化对气候灾害的影响及区域适应研究宋连春国家气候中心中国气象局2012CB956000 全球变暖下的海洋响应及其对东亚气候和近海储碳的影响袁东亮中国科学院海洋研究所中国科学院2012CB956100 湖泊与湿地生态系统对全球变化的响应及生态恢复对策研究沈吉中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院2012CB956200 全球典型干旱半干旱地区年代尺度气候变化机理及其影响研究马柱国中国科学院大气物理研究所中国科学院2012CB966300 神经分化各阶段细胞命运决定的调控网络研究及其转化应用章小清同济大学上海市科学技术委员会教育部2012CB966400 人多能干细胞向胰腺β细胞和神经细胞定向分化的机制研究邓宏魁北京大学教育部2012CB966500非整合人诱导性多能干细胞（iPS）及相关技术用于β地中海贫血治疗的研究潘光锦中科院广州生物医药与健康研究院中科院2012CB966600 中胚层干细胞自我更新分化的机制与功能研究冯新华浙江大学教育部浙江省科学技术厅2012CB966700 多能干细胞定向分化的表观遗传学调控网络沈晓骅清华大学教育部2012CB966800 干细胞分裂模式和干细胞干性维持的机制研究高维强上海交通大学教育部上海市科学技术委员会2012CB966900 体内间充质干细胞自我更新、分化及其调控相关组织干细胞的机制研究李保界上海交大教育部上海科学技术委员会2012CB967000 肿瘤干细胞的动态演进及干预研究刘强中山大学教育部2011年生命科学部资助重点项目清单。
人工微结构超表面的光场调控物理及其应用欧凯人工微结构超表面是一种具有独特光学性质的功能性材料，它通过调控入射光的相位和振幅，实现对光场的精确控制和调控。
该技术在通信、传感、光学成像和光学计算等领域具有广泛的应用前景。
人工微结构超表面是一种由微米尺度的金属或介质纳米颗粒组成的二维阵列结构。
通过对微结构的设计和制备，可以实现对入射光的幅度、相位和极化态的精确调控。
这种调控能力源于微结构对入射光的散射和反射过程中的干涉效应。
通过调整微结构的尺度、形状和分布方式，可以使入射光在超表面上发生多次相互干涉，从而实现对光场的高效调制。
人工微结构超表面的光学性质主要包括透射、反射、散射和吸收等过程。
通过控制微结构的形状和尺度，可以实现对入射光的透射率和反射率的调节。
此外，还可以通过调节微结构的相位延迟，实现对光束的相位调制。
通过对微结构的设计和优化，人工微结构超表面可以实现高透射率和高反射率的调谐，从而实现对光场的高效调控。
人工微结构超表面的光场调控物理可以通过多种方法来实现。
一种常用的方法是利用光束的干涉效应对光场进行调制。
通过设计微结构的尺度和形状，可以实现对光场的相位调制。
另一种方法是利用微结构的散射和吸收特性，对入射光的幅度进行调节。
通过控制微结构的材料性质和结构参数，可以实现对光场吸收和散射的精确控制。
人工微结构超表面的光场调控物理在许多领域具有重要的应用价值。
一方面，它可以用于通信系统中的光场调控和波束整形。
通过调整超表面的结构参数，可以实现对光场的精确聚焦和波束整形，从而提高光通信系统的传输效率和容量。
另一方面，它可以用于光学成像和超分辨率显微镜中。
通过控制超表面的相位和振幅，可以实现超分辨率成像和纳米尺度的光学探测。
此外，人工微结构超表面还可以应用于光学传感和生物医学领域。
通过调控超表面的结构参数，可以实现对光场的散射和吸收特性的调节，从而实现对光场的敏感检测和分析。
这种光场调控技术可以应用于光学传感领域的气体检测、生化分析和生物医学成像等方面。
项目名称：人工微结构材料中光、声以及其它元激发的调控首席科学家：彭茹雯南京大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容根据国家重大需求和国际前沿的科学问题，从现有的基础出发，本项目研究人工微结构材料中光、声以及等离激元和极化激元等的激发、传输和相互作用新规律，探索基于亚波长人工微结构的新型电磁和声材料与器件。
拟解决的关键科学问题包括以下四个方面:第一，探索超构材料中诸如等离激元力、电磁模的量子干涉、耦合模的Fano 共振等新颖的物理效应，揭示元激发的近场耦合与光学现象之间的关联。
第二，关注于新型亚波长微结构与光子和等离激元的相互作用，探索线性和非线性等离激元晶体，利用相位(准相位)匹配实现对光子和等离激元能带结构的调控。
第三，发展人工带隙材料的拓扑理论，设计和实现具有时间反演对称破缺的超构材料，探索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。
第四，探索超构材料中声共振激发与耦合、倏逝波模式传输和转换的物理机制和调控方式，揭示声超构材料对声波谐波的激发规律，设计新原理声学器件。
主要研究内容包括：围绕关键科学问题，本项目拟就下述内容展开深入研究。
（1）在元激发近场耦合和人工微结构中光学效应的调控方面，主要开展以下研究：i) 研究超构材料中亚波长结构单元之间近场耦合所导致的各类新颖光学现象，主要有：元激发近场耦合导致的亚波长传输与慢光效应；共振耦合所导致结构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涉、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，探索基于共振耦合效应的新型超构材料与光子器件。
ii) 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结构中新颖物理过程，探索具有亚波长特征的倍频、光参量放大等频率转换方法；考察多个混合型波导结构之间的耦合模性质，探索利用非线性过程来调控亚波长等离激元波传播的途径；研究受结构影响的泵浦光与信号光之间关联性质，寻找利用增益介质实现亚波长光传播的动态调控手段。
以光子集成为目标，设计与制备能实现如开关、分束、滤波等功能的基于等离激元的有源新型亚波长光子材料和器件。
iii) 推广全波的电磁场散射和多重散射以及衍射动力学理论，考察在三维空间及二维平面内具有近场耦合特征的人工结构体系中的异常光散射和衍射性质。
研究具有特殊各向异性、空间非局域性的人工结构对光传播、散射、衍射等性质的影响。
研究微结构对等离激元表面波的波形变化与传播操控，在此基础上设计和制备一些具有特殊功能的亚波长人工微结构。
iv) 研究幻象光学的机理和条件，试图突破变换光学的局限，找到更简单的隐身和幻象器件参数，为将来的实验研究提供思路。
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明之间的关联性；在某些特定情况和应用下，简化对隐身器件和幻象器件的要求；从实际材料出发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展现幻象光学的多种应用。
（2）在亚波长微结构中光子和等离激元的能带结构与相位调控方面，主要开展以下研究：i) 研究人工亚波长微纳结构中传播的等离激元与局域的等离激元之间的相互作用，利用各种空间调制的表面结构以及单个结构单元的构型变化来实现对表面等离激元的调控。
研究“线性”和“非线性”等离激元晶体等，通过精心设计微结构来实现对光子和等离激元能带结构的调控，揭示该系统中非线性光学新效应及非线性增强的新机制，为发展基于元激发的新一代信息载体提供科学依据。
ii) 研究不同组合和不同调制方式下金属和介电人工亚波长微纳结构中电磁共振的物理本质，研究一些多层亚波长组合结构中电共振和磁共振在同一频率相互转换的物理效应，探讨其物理本质, 在不同波段设计、制备和表征新型负折射材料。
iii) 研究由多层不同微结构构成的等离激元级联材料中电磁波的传播规律，提出并实现“通过材料结构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、增强吸收等功能的集成和调制。
研究等离激元、极化激元等元激发与多层微纳亚波长结构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强效应。
（3）在人工带隙材料的对称性和拓扑性质调控光和声方面，主要开展以下研究：i）通过与电子系统中拓扑序和拓扑分类方法的类比，研究人工带隙材料和超构材料中光和声的拓扑序和类量子相变，据此提供一种可类比的宏观量子系统以研究微观量子效应，并探索研究人工带隙材料中宏观类量子效应所带来的新物理效应、新现象和可能存在的应用。
ii）开展具有新奇对称性的超构材料拓扑性质的研究。
构造具有奇特拓扑对称性的超材料，研究这些超构材料的能带色散的拓扑特征, 并进行拓扑分类，研究其量子拓扑相变的过程，并与凝聚态理论的一些现象进行类比，得到光学和声学领域中新的效应。
iii）开展光和声在人工微结构中非对易传输的研究。
深入研究各类非对易系统的内在拓扑本质，更深刻地认识其非对易性起源，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，最终实现新型的光二极管、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。
探索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。
（4）在超构材料对声场的调控及相关新原理声学器件方面，主要开展以下研究:i) 研究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。
以超构材料基本微结构单元的声学振动模式为研究重点，考察微单元本征声学振动模式的激发、声学倏逝波模式与本征模式相耦合、并通过微单元间共振/非共振耦合效应而得到增强传输的物理机制，探索其中的模式转换过程。
ii) 探索超构材料在亚波长高分辨率声成像中的应用，发展声学超透镜新原理器件。
设计构建不同类型、具备某些特殊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，研究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结构参数之间的关系模型，寻找优化方法。
iii) 通过构建特殊的超构材料，在线性情况下获得其色散关系和该结构的等效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。
在此结构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控制。
iv) 建立基于声二极管效应及压电效应的声整流器件模型，系统研究亚波长尺度系统中声整流现象产生的物理机制及描述方法，探索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，研究在不同声压强度下材料的结构参数对其负密度、负模量、负速度以及传输禁带等特异声学性能的影响。
同时，研究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新型热声热机。
二、预期目标本项目的总体目标：通过研究超构材料中诸如等离激元力、电磁模的量子干涉等新颖的物理效应，揭示元激发的近场耦合与人工微结构光学现象之间的关联；通过研究新型亚波长微结构与光子和等离激元的相互作用，探索线性和非线性等离激元晶体，利用相位和准相位匹配实现对光子和等离激元能带结构的调控；发展人工带隙材料的拓扑理论，设计和实现具有时间反演对称破缺的超构材料，探索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；探索超构材料中声共振激发与耦合、倏逝波模式传输和转换的物理机制和调控方式，揭示声超构材料对声波谐波的激发规律，设计新原理的声学器件。
通过本项目的实施，期望揭示人工微结构材料中光、声、等离激元的新效应和新现象，发展亚波长光子学和等离激元学，发展新型电磁和声超构材料和技术。
在科学研究平台、队伍建设及总体水平方面，通过本项目的实施，我们期望在亚波长微结构研究的几个主要领域进入国际前沿。
取得一批高水平的成果，发表一批具有重要国际影响的学术论文，拥有自主知识产权。
培养一批具有创新意识、思维活跃、立足国内量子调控研究领域的科技人才，建设和完善具有国际前沿水平的量子调控基地。
五年预期目标:1、揭示等离激元超构材料中复杂电磁耦合模的基本物理性质，明确这些近场耦合过程在等离激元力、元激发量子性质等新颖光学效应中扮演的角色；掌握其中基本的物理规律，并通过它对新型超构材料的性质进行人工调控。
2、揭示不同组合和不同调制方式的金属和介电亚波长微纳结构中元激发的产生和演化规律，揭示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表面结构以及单个结构单元的构型变化来实现对等离激元的相位调控，构筑“线性”和“非线性”等离激元晶体和准晶体，实现对光子和等离激元能带结构的调控，揭示该系统中非线性光学新效应及非线性增强的新机制，为发展基于元激发的新一代信息载体提供科学依据。
3、揭示金属和介电亚波长微结构中电磁共振的物理本质，给出一些实现负折射材料的新途径。
推广多重散射和衍射动力学理论，发展基于等离激元表面波的波前调制方法，实现几种新颖的亚波长波束，完成几类纳光子传播和操控的器件原型。
阐明实现远程隐身和幻象光学的多重散射机理，并据此构建出新型的较简单的隐身和幻象器件。
4、发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对应理论，研制这类材料的原型。
发展一套非互易光子、声子带隙材料的计算方法，设计并探索实验上实现可调谐折射类型和单通类型的方案。
发展光和声的拓扑特性分析的理论模型，并能计算光子晶体和超构材料的能带色散的拓扑序，并研究其拓扑量子相变过程。
能够对各类人工带隙晶体、超构材料进行基本的拓扑分类。
5、在光波导上实现可集成的光波非对易传播，最终实现新型的光二极管、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光二极管。
探索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。
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强幅度与超构材料关键参数依赖关系的物理模型，揭示利用超构材料参数调控声倏逝波传输行为的声学机制。
在此基础上，发展具有亚波长超高分辨率的低损耗宽带声成像技术。
7、研究超构材料中线性与非线性声学性能，揭示高次谐波在超构材料中传播的内在机理，建立基于超构材料的声二极管和热声热机的非线性模型。
