【科技牛成果推荐】光子晶体的带隙调控与量子干涉现象研究

光子晶体的带隙调控与量子干涉现象研究

【项目简介】

光子晶体是一类由周期性人工共振或非共振微结构组成的新型光子调控材料。如同电子在半导体材料中运动会产生电子带隙，光子晶体的重要特征是具有光子带隙，它提供了类似半导体作用于电子的光子调控手段。人们可以通过对光子带隙的设计来调节和操控光的发射、传播、存储行为，以及光与物质的相互作用过程。有关光子晶体研究是光物理与多学科交叉的前沿领域，这方面的研究具有科学与应用两个方面的重要意义。

我们从1997年开始，在国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金重点项目及上海市基础研究重大项目等支持下， 围绕光子晶体研究的两个核心科学问题，即光子带隙诱导的奇异量子干涉现象和光子带隙调控新机理，展开了系统深入研究，取得了重要进展。以下是主要成果简介。

为了克服传统的仿生方法在机器人关节空间优化控制系统的复杂性和局限性，申请人基于CPG丰富的动态特性，提出在线优化机器人工作空间轨迹的控制思路。解决了如何利用CPG产生机器人特征量信号、如何利用感知信息来调制工作空间轨迹及如何利用进化计算优化整个动态系统等方面的关键技术问题。该“CPG-workspace method”被多位国际同行高度评价并引用，拓展出针对仿人机器人的诸多工程应用。

多能级原子的量子干涉现象是光与物质相互作用的基本物理过程，而这种现象强烈依赖于原子所处的光学环境。我们系统研究了光子晶体这种人造光学环境中奇异量子干涉现象，重要成果有：

（1）发现当自发辐射频率处于能隙之中时，自发辐射受到强烈抑制并在激发原子附近形成原子-光子束缚态。我们首次从理论上给出了束缚态的解析表达式。

（2）基于能带中的传播场和带隙中的束缚场之间的杂化效应，首次提出光子晶体中原子辐射场的弥散场新概念。弥散场的理论预言得到光子晶体自发辐射实验的证实。

（3）基于负折射率材料平面成像特性，首次提出间接量子干涉效应的新概念以及利用该效应实现两个正交自发辐射模干涉的具体方案。

（4）与英国伯明翰大学Jensen Li的理论研究合作，利用特殊人工共振结构及其与外部光场的相干耦合，首次在没有物理增益的系统中建立有效的理想的PT对称光学系统，并观察到基于PT对称性的完美相干吸收现象。

带隙是光子晶体控制光子运动的核心。我们围绕超构材料（metamaterials,又称超材料、特异材料等）如负折射率材料、电（磁）单负材料等构成的复合周期结构的带隙调控新机理和新现象展开系统研究，重要成果有：

（1）研究了正－负折射率材料构成的复合光子晶体的奇异能隙结构，通过将正-负折射率材料之间的传播位相补偿机制与正-负折射率材料界面之间负折射现象有机结合，首次发现一个带边对入射角度和偏振不敏感的全向能隙。

（2）研究了电单负-磁单负材料构成的复合光子晶体的奇异能隙结构，通过引入电-磁对结构中由于光隧穿效应导致的束缚态及其相互作用，首次发现其存在一个零有效相位能隙。该能隙既不同于传统的Bragg散射能隙，又不同于香港科技大学沈平教授研究组提出的零平均折射率能隙。零有效相位能隙对晶格常数的标度、涨落和入射光的方向及偏振均不敏感。理论预言的光隧穿效应及相关调控机理被实验证实。