超构材料中电磁感应透明效应的研究

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近年来,超构材料(Metamaterials)的发展导致了很多新奇的电磁性质的出现,例如人工磁性、负折射现象、光学隐身等。这些性质是传统光学材料所不具备的,对这些有趣性质的深入研究不仅能加深人们对人工微结构中电磁波传播规律的认识,而且有助于我们实现对电磁波的调控、研制全光型材料和器件,最终有可能导致光子取代电子而成为新一代信息载体。电磁感应透明(EIT)效应是上世纪八十年代末在三能级原子系统中发现的物理现象。在随后的20年里,电磁感应透明一直是量子光学中的一个重要研究方向。理论和实验的研究发现,EIT是由量子干涉效应所导致的。由于EIT介质具有透射高、色散强、非线性效应强等特性,因此在许多方面具有广泛的应用(例如在光减速、量子存储、非线性效应的增强、非经典光的产生以及光与原子量子纠缠等方面)。不过由于三能级原子系统中的电磁感应透明效应对物理环境的要求比较高(比如通常要求极低温的环境),所以实验上实现起来比较困难。在超构材料提出后,研究发现可以利用“人工原子”的概念来实现电磁感应透明现象。本论文从理论和实验两方面研究了电磁感应透明效应在超构材料中的实现,具体内容如下:第一,我们发现和证实超构材料中光学磁性诱导的电磁感应透明现象。我们首先将两个“人工磁性原子”组合成一个“人工磁性分子”,并利用该“磁性分子”构造出一种超构材料。由于局域磁场在该系统中发生相消干涉,从而该超构材料中出现电磁感应透明现象。针对此现象,我们类比于三能级原子系统给出了定性的物理解释;同时我们基于耦合模方程给出了定量的理论分析。进而利用群折射率和折射率之间的关系,计算得到在透明峰处的群折射率,揭示出该系统中的慢光特性,并与电共振导致的EIT现象进行了比较。该研究结果在量子信息存储等方面具有潜在的应用。第二,我们发现和证实利用超构材料可以实现双模电磁感应透明。我们首先基于金属微结构设计了三种“人工原子”,利用有限时域差分方法,我们计算出这些“人工原子”在同一频率处都有一个共振模式。研究证实,通过两两组合这些“人工原子”,可以构造出两种不同的单模电磁感应透明材料。在此基础上,我们最终构造出具有双模电磁感应透明的超构材料。实验上,我们利用微加工技术制备出太赫兹波段响应的金属微结构,利用太赫兹时域光谱仪对其光透射性质进行了表征,实验测量证实了该超构材料中发生双模电磁感应透明效应,并且样品的时域谱分析也证实了对应的慢光特性。该工作首次在太赫兹波段实现了多频电磁感应透明,为太赫兹波的调控提供了一种新方法。总之,我们的研究工作从理论和实验两方面研究了超构材料中电磁感应透明现象,证实了光学磁性诱导的电磁感应透明,发现和证实利用超构材料可以实现双模电磁感应透明效应。这些研究结果为发展新型电磁材料和器件提供科学依据,在量子信息存储和太赫兹波调控等方面具有潜在的应用。
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