基于狄拉克半金属的可调谐的太赫兹宽频带纯线偏振转换器

本文基于新型材料狄拉克半金属(Dirac semimetals,DSs),设计了一款高纯度宽频带可调谐线偏振转换器,偏振转换率(PCR)超过99%的相对带宽为15.72%。在频段5.25~6.14 THz内,椭度角接近0°,偏振方位角约等于-90°。这种转换性能主要是源于顶层超表面的各向异性和局域的表面等离子体激元谐振(LSPRs)的激发。此外,通过改变费米能的大小可以使所设计的偏振转换器在不同的频带范围内实现宽频带偏振转换。最后,通过半解析的方法对偏振转换特性进行了理论分析。该设计在太赫兹通信、成像、无损检测等领域具有一定的应用价值,同时为宽频带可调谐太赫兹线偏振转换器的设计提供了新思路。     

基于谐振环的太赫兹宽带偏振转换器件研究

提出了一个基于谐振环结构的宽带且高效的太赫兹线偏振转换器.该结构由金属-电介质-金属三层构成,位于顶层的是基于开口谐振环的超表面,中间为介质层,底部为金属板.实验结果表明,该结构可以在0.59-1.24 THz频率范围内将线偏振的太赫兹波偏振方向旋转90°,转换率超过80%.通过计算该结构在所研究的频率范围内反射光的偏振角和椭圆角,证实了该结构可以在较宽的频率范围内实现高效的线偏振转换.对该结构在偏振转换率高的频率下表面电流和电场进行仿真,分析了高偏振转换率和宽带的机理.同时,研究了该结构的偏振转换率对入射角以及偏振角的依赖性,结果表明该结构在0°-30°入射角范围内、-10°-10°偏振角范围内均有很好的偏振转换性能.     

基于双开口谐振环超表面的宽带太赫兹涡旋光束产生

提出了一种基于双开口谐振环单元结构超表面的太赫兹宽带涡旋光束产生器.该结构由金属-电介质两层构成,位于顶层的是基于双开口谐振环单元结构的超表面,底层为介质层.对单元结构阵列进行数值仿真,圆偏振的入射光可以被转换成相应的交叉偏振透射光,通过旋转表层金属谐振环,可以控制交叉偏振透射光具有相同的振幅和不同的相位.这些单元结构按照特定的规律排列,可以形成用以产生不同拓扑荷数的涡旋光束的涡旋相位板.以拓扑荷数1和2为例,设计了两种涡旋相位板,数值分析了圆偏振波垂直入射到该涡旋相位板生成交叉圆偏振涡旋光束的特性.结果表明,在1.39—1.91 THz的频率范围内产生了比较理想的不同拓扑荷数的涡旋光束,且透过率高于20%,最高可达到24%,接近单层透射式超表面的理论极限值.     

基于二氧化钒的可调谐太赫兹宽带带通滤波器

提出了一种基于二氧化钒超材料的可调谐宽带带通滤波器.仿真结果表明:该滤波器在中心频率5.19 THz处的3 dB带宽为1.71 THz,最高传输率能够达到0.77,并且在入射角0°～40°范围内具有稳定的宽带传输性能.运用谐振频率处的表面电流分布和等效电路法,阐述了其实现宽带传输的物理机制.由于二氧化钒独特的相变特性,通过改变二氧化钒的电导率,滤波器的带宽可以从1.71 THz动态调谐至2.31 THz.该滤波器具有结构设计简单、宽通带以及可调谐等特性,有望在宽带太赫兹通信、传感以及其他新兴的太赫兹领域发挥重要的作用.     

拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应

拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料.因其相对论性能带色散关系,拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应,例如费米弧表面态和手征反常.近年来,因在拓扑量子计算的潜在应用,拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注.本文从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展:1)超导电流对拓扑量子态的模式过滤; 2)拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控.对于前者,利用约瑟夫森电流对电磁场的响应,拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示,高阶拓扑半金属相被证实,有限动量配对及超导二极管效应被实现.对于后者,通过交流约瑟夫森效应,狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现,纯电学栅压调控的拓扑相变被实现.本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.     

温度电压双可控宽带太赫兹极化转换/吸收超表面

提出了一种基于二氧化钒（VO₂）和石墨烯材料的温度电压双可控宽带极化转换/吸收超表面。通过调控超表面中VO₂和石墨烯的电导特性能够实现对极化转换和吸收功能的控制。结果显示：当VO₂处于金属态且石墨烯处于绝缘态时,超表面工作在宽带极化转换模式,在1.57～2.49 THz范围内可实现线极化转换功能;当VO₂处于绝缘态且石墨烯处于金属态时,超表面的工作状态切换为吸收模式,在1.56～2.99 THz范围内的吸收率均大于90%;极化转换和吸收性能可以分别通过控制VO₂的温度和石墨烯的偏置电压来调控。此外,通过本征模、阻抗匹配理论和电流磁场分布解释了该超表面的工作原理,并讨论了其工作性能在不同结构参数和入射角度下的稳定性。     

太赫兹波段双频带手征性超表面的设计

提出一种具有巨旋光性和负折射特性的双频带手征性超表面结构,该手征性超表面由中间介质层和双层共轭卍字形周期排列而成;通过研究面电流密度分布,解释了巨旋光性和负折射率产生的原因;研究了手征性超表面单元结构的连续圆金属贴片半径和介质层厚度对该结构旋光性和负折射特性的影响。数值模拟结果表明:该结构在0.1～2 THz频率范围内有4个谐振频点,在谐振频点附近,平均折射率均为负值,实部幅值最大为-3.7;该结构在谐振频点附近显示了巨旋光性以及双频带的左旋圆偏振波和右旋圆偏振波负折射特性,最大偏振旋转角达到了122°,右旋圆偏振波折射率实部幅值可达-12.74。     

基于超材料的中波红外宽带偏振转换研究

基于硅纳米块阵列和亚波长金属光栅,硅纳米块长轴与金属光栅夹角为45°,本文设计了一种高效、宽带偏振转换结构.模拟计算表明该结构实现了线偏振光90°旋转,在3.4—4.5μm波段偏振转换率大于60%,在3—5μm光谱范围内的转换对比率大于10~4.由于该结构光学性能优异,制备难度低,可以应用于光传输控制.     

基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体设计

本文设计了一种基于超材料的偏振不敏感太赫兹宽带吸波体.吸波体包含两层金属和一层中间介质,表面金属层每一个周期单元由五种尺寸接近的金属块按照相邻不同的规律排列成5×5的方形阵列.各种尺寸金属块分别产生单峰谐振吸收,五个谐振吸收峰相互靠近从而产生宽带吸收.通过研究吸波体表面电流和电场z分量分布情况可知,入射太赫兹能量的吸收主要是由y方向上电场引起的电偶极子振荡和z方向上磁场引起的磁极化产生,而且金属层的欧姆损耗起主要作用.仿真结果表明,吸波体吸收率在80%以上的带宽约为1.2 THz,最高吸收率可达98.7%,半峰全宽(FWHM)为1.6 THz,该宽带吸波体的厚度约为中心波长的二十分之一,对偏振方向不敏感,且能实现大角度吸收,在太赫兹频段的电磁隐身、测辐射热探测器以及宽带通信等领域有潜在的应用价值.     

γ-LiAlO2上a面ZnO薄膜的光谱特性研究

利用激光脉冲沉积(PLD)技术在(302)γ-LIAlO2衬底上成功生长了非极性的a面(1120)ZnO薄膜,光致发光谱(P1)带边发射峰半峰宽仅为115 meV.研究了非极性ZnO薄膜光谱特性的面内各向异性,发现随着入射光偏振方向改变,在偏振透射光谱上,吸收边移动了20 meV,这与A、B激子和C激子的能量差一致;而在拉曼光谱上,激发光偏振方向的改变导致E2模式的强度发生明显改变.     

具有大磁晶各向异性能的单层BaPb的室温量子反常霍尔效应

具有巨大应用潜力的二维材料在纳米技术领域引起了人们极大的研究兴趣.基于第一性原理计算,本文预测了二维六角晶格BaPb体系具有室温量子反常霍尔效应.体系磁基态是铁磁半金属态,并且自旋极化的Pb-p轨道导致体系的时间反演对称性破缺.具有非零Chern数(C=1)的单层BaPb中非平庸拓扑性来源于全自旋极化的p_(x,y)轨道形成的二次型非狄拉克能带.不同于之前报道的p_z轨道形成的狄拉克拓扑态很容易被衬底破坏,p_(x,y)轨道形成的σ键非常稳定.当考虑自旋-轨道耦合作用时,二次型的非狄拉克点打开了接近177.39 meV的非平庸带隙.通过反常霍尔电导、陈数、贝里曲率和边缘态的计算,证实了 BaPb非平庸的拓扑性.此外,体系还表现出每个单元52.01 meV的大磁晶各向异性能.     

基于表面势的氢化非晶硅薄膜晶体管直流特性研究

基于表面势模型,在同时考虑深能态和带尾态分布下,采用简化的费米-狄拉克函数计算得到统一的定域态模型,并利用有效特征温度的概念,推导出a-Si:H TFT统一的电流-电压(I-V)模型.该模型可不分区地描述包括亚阈值区、线性区以及饱和区等a-Si:H TFT的所有工作区域.与实验得到的I-V特性进行比较表明,本模型能够准确地描述a-Si:H TFT的各个工作区的电流电压特性.     

三波段超材料宽带带通滤波器的设计及实验研究EI北大核心CSCD

基于多个圆环嵌套结构单元,设计、加工与测试了一种对偏振无依赖以及大角度入射稳定的三波段超材料宽带带通滤波器(BPF)。仿真结果表明该滤波器存在三个通带,中心频率分别为7.22,10.10,14.46GHz,3dB相对带宽分别为17.5%,20.2%和17.4%,中心频率处透射率分别为-0.85dB,-0.69dB和-1.73dB。单元结构具有旋转对称性,使得该滤波器对电磁波偏振不敏感,并且在入射角达到40°时,三个波段依然维持较好的稳定性。通过监测谐振频点处的表面电流分布情况,分析了三波段滤波的物理机理。这种带通滤波器具有多波段滤波、偏振无依赖以及大角度入射稳定等特性,有望在多频谱成像技术、信息通信等领域发挥一定的作用。     

基于双层超表面的宽带、高效透射型轨道角动量发生器

提出一种宽带、高传输效率的双层超表面,其单元结构是在介质层两边对称刻蚀结构参数相同的十字型金属贴片且将两层超表面沿y方向错位半个周期长度形成.通过引入y方向的错位,双层超表面的透射带宽得到大幅度提升.同时,采用等效电路理论分析了该双层超表面的带宽展宽机理.在此基础上,进一步结合Pancharatnam-Berry相位原理,实现了宽带轨道角动量波束生成器.实验和仿真结果表明,在11-12.8 GHz的频率范围内,器件能够将左旋圆极化波转换为携带轨道角动量的右旋圆极化波.     

图案化石墨烯/氮化镓复合超表面对太赫兹波在狄拉克点的动态多维调制

提出一种基于图案化石墨烯/氮化镓肖特基二极管与类电磁诱导透明超表面集成的新型太赫兹调制器.通过施加连续激光或偏置电压改变异质结肖特基势垒,进而致使石墨烯的费米能级在价带、狄拉克点与导带之间移动,使得异质结的电导率发生变化.在太赫兹时域光谱上表现出透射振幅的增减变化,并观察到在狄拉克点上的调制行为.因费米能级接近狄拉克点,对外加光电激励非常敏感,施加4.9—162.4 m W/cm~2的光功率或者0.5—7.0 V的偏压,调制深度先增加后减小,相位差线性增加,其中最大调制深度达90%,最大相位差为189°,该器件实现了太赫兹波的超灵敏多维动态调制.总之,该图案化石墨烯/氮化镓复合超表面调制器在超灵敏光学设备中存在潜在的应用价值.     

三波段超材料宽带带通滤波器的设计及实验研究

基于多个圆环嵌套结构单元,设计、加工与测试了一种对偏振无依赖以及大角度入射稳定的三波段超材料宽带带通滤波器(BPF)。仿真结果表明该滤波器存在三个通带,中心频率分别为7.22,10.10,14.46GHz,3dB相对带宽分别为17.5%,20.2%和17.4%,中心频率处透射率分别为-0.85dB,-0.69dB和-1.73dB。单元结构具有旋转对称性,使得该滤波器对电磁波偏振不敏感,并且在入射角达到40°时,三个波段依然维持较好的稳定性。通过监测谐振频点处的表面电流分布情况,分析了三波段滤波的物理机理。这种带通滤波器具有多波段滤波、偏振无依赖以及大角度入射稳定等特性,有望在多频谱成像技术、信息通信等领域发挥一定的作用。     

超表面图像显示技术研究

提出了一种通过超表面实现超高分辨率灰度图像的存储和显示方法。利用金属纳米砖阵列的偏振分光特性,结合马吕斯定律,将图像的灰度信息转换为纳米砖阵列中纳米砖的方向角排布,从而实现精确、连续的灰度调制。实验结果表明,可在该超表面的反射近场处观测到清晰的灰度图像,分辨率高达90 714ppi。这种基于超表面的图像显示技术设计方法简单灵活,且超表面具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等优势,因此可广泛应用于高密度光信息存储,高端产品防伪,信息加密等领域。     

基于单层线-圆极化转换聚焦超表面的宽带高增益圆极化天线设计

基于线-圆极化转换原理和聚焦超表面相关理论,设计了一种反射型宽带线-圆极化转换聚焦超表面,并结合线极化馈源设计了宽带的高增益圆极化天线.首先,提出了一种单层的变形十字超表面单元,单元具有极化独立特性,并且能够在10—14 GHz宽频带范围实现对反射波相位360?范围全调控,同时利用该单元构建的一维超单元很好地验证了奇异反射现象.然后,分别控制单元横向和纵向尺寸的分布构建出同时满足线-圆极化转换和聚焦条件的双功能超表面.最后,采用Vivaldi天线作为馈源对超表面进行照射组成天线系统,仿真及测试结果均表明天线系统同时实现了高增益和线-圆极化转换,系统的-1 d B带宽为24%,-3 d B轴比带宽为29.8%.本文的设计充分体现了超表面对电磁波相位和极化操控的灵活性,具有显著的应用前景.     

石墨烯莫尔超晶格

石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.     

宽入射角度偏振不敏感高效异常反射梯度超表面

偏振不敏感超表面在实际应用中具有重要意义, 本文提出了一种光通信波段的、对偏振不敏感的异常反射式梯度超表面, 这种超表面对于x-偏振和y-偏振入射光都能够实现高效率的异常反射, 表现出偏振不敏感特性, 为解决传统反射式超表面的偏振敏感性问题提供了一种新途径. 它采用金属(Au)-绝缘层(SiO₂)-金属(Au)结构, 超表面的超晶胞由五个各向同性的、尺寸不同的十字形基本结构单元组成. 仿真结果表明, 这种超表面结构对不同线偏振入射平面光波有几乎相同的相位和振幅响应; 合理的选取五个基本结构单元的尺寸, 在一个超晶胞内实现了2πup 相位的覆盖, 反射光波阵面畸变小, 而且反射光都集中到异常反射级次, 在工作波长1480 nm处具有较高的异常反射率(～ 70%). 此外, 这种结构的超表面在-30°–0°的宽入射角度范围内都具有偏振不敏感的异常反射特性. 在光通信、光信号处理、显示成像等领域具有潜在的应用前景.