Efficient and stable wireless power transfer based on the non-Hermitian physics

As one of the most attractive non-radiative power transfer mechanisms without cables,efficient magnetic resonance wireless power transfer(WPT)in the near field has been extensively developed in recent years,and promoted a variety of practical applications,such as mobile phones,medical implant devices and electric vehicles.However,the physical mechanism behind some key limitations of the resonance WPT,such as frequency splitting and size-dependent efficiency,is not very clear under the widely used circuit model.Here,we review the recently developed efficient and stable resonance WPT based on non-Hermitian physics,which starts from a completely different avenue(utilizing loss and gain)to introduce novel functionalities to the resonance WPT.From the perspective of non-Hermitian photonics,the coherent and incoherent effects compete and coexist in the WPT system,and the weak stable of energy transfer mainly comes from the broken phase associated with the phase transition of parity-time symmetry.Based on this basic physical framework,some optimization schemes are proposed,including using nonlinear effect,using bound states in the continuum,or resorting to the system with high-order parity-time symmetry.Moreover,the combination of non-Hermitian physics and topological photonics in multi-coil system also provides a versatile platform for long-range robust WPT with topological protection.Therefore,the non-Hermitian physics can not only exactly predict the main results of current WPT systems,but also provide new ways to solve the difficulties of previous designs.     

含双曲超构材料的复合周期结构的带隙调控及应用

等频面的拓扑结构强烈影响光在材料中的行为.通常组成光子晶体原胞的材料都是介电材料,其等频面都具有相同的封闭拓扑结构.结构最为简单的光子晶体是由两种介电材料交替组成的一维光子晶体.然而,这种传统的光子晶体在横磁和横电偏振下的光子带隙将随着入射角的增大而向短波方向移动,既不利于全向带隙的产生与展宽,又使得基于光子带隙的一些应用限制在很窄的入射角度范围内.本综述利用双曲超构材料对电磁波相位的独特调控作用,在由具有开放的等频面的双曲超构材料和具有封闭的等频面的普通介电材料交替组成的复合周期结构中实现了随入射角零移以及红移的特殊带隙,为研制具有新型功能的光学器件提供了新机理.基于零移带隙,可设计具有固定带宽的全向反射器和宽角度的近完美光吸收器.基于红移带隙,可设计宽角度的偏振选择器和超灵敏折射率传感器.     

基于奇异光学束缚态的古斯-汉欣位移增大

作为一类具有代表性的光学共振模式,光学束缚态已被用于大幅增大古斯-汉欣位移.然而,在大多数的研究工作中,人们利用的是透射型的束缚态来增大古斯-汉欣位移.因此,古斯-汉欣位移的峰值位于透射谱的极大值(即反射谱的极小值)处,对应的反射率很低,这不利于实验测量与实际应用.本综述阐述了本课题组在近年来利用两种奇异的光学束缚态增...     

非厄米物理启发的高效无线电能传输

无线电能传输技术是指不需要线缆或者波导结构,利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术。作为能量传输的一种全新方式,无线电能传输技术可以极大地提高供电设备的安全性、可靠性和便捷性,其在消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度供能的场景中具有重要的应用价值。目前无线电能传输技术仍存在一定的局限性,特别是对于广为关注的磁共振耦合无线电能传输技术,面临着高效率和稳定性难以兼顾的巨大挑战。文章以近场无线电能传输技术为研究框架,深入介绍非厄米新物理在无线电能传输系统中的调控机理,及其在高效、稳定、待机功率损耗、电磁环境兼容等方面的突出优势,最后对无线电能传输未来的研究方向进行了展望。     

实验观测非厄米系统奇异点的手性翻转现象

在非厄米系统参数空间的黎曼曲面上存在简并点,此时本征值和相应的本征矢量同时合并,这些非厄米简并点也被称为奇异点.作为非厄米物理系统的相变临界态,奇异点会引起诸多违反直觉的现象,如损耗诱导透明、单向隐身以及非对称的模式转换.特别有趣的是,奇异点的本征矢量是自正交的,并且由于维度的缺失,特定非厄米系统的奇异点具有固有的手性.本文基于开口谐振环这种特殊的超构材料谐振子构造了耦合系数符号可以灵活调控的非厄米系统,并在实验上观测了非厄米系统奇异点的手性翻转现象.利用耦合系数符号的改变来实现非厄米系统奇异点的手性态调控,不仅为研究开放系统中的基本非厄米物理开辟了一条新的途径,而且在设计高效手性模式转换以及手性天线等光子器件方面具有一定的应用价值.     

类特异材料半导体复合结构中的电子Tamm态

通过选取具有特殊能带结构的半导体材料碲镉汞(Hg_1-xCd_xTe), 类比电磁体系得到了电子体系中的类单负材料、类双负材料等类特异材料, 然后将其组合成一维复合异质结构. 通过数值计算, 发现复合结构中存在新型电子Tamm态, 包括返向电子Tamm态和含类近零折射率材料复合结构中的电子Tamm态. 这些结果拓展了人们对电子Tamm态的认识.     

公路隧道新型衬砌结构双孔开挖与支护方案的研究

论文以公路隧道为研究对象,取Ⅳ级围岩,利用有限元程序对台阶开挖法和环形开挖法进行了数值模拟,分析了其支护后衬砌结构的应力和变形特征.在此基础上,针对目前隧道衬砌结构在修建和运营过程中的不足,提出一种双孔支护方案,并进行了较系统的数值模拟.研究结果表明:环形开挖法的最大应力和位移明显小于台阶开挖法,双孔支护方案能很好地减小衬砌的受力和变形,为隧道的设计和施工提供一种新的思路.     

等效零折射率材料微腔中均匀化腔场作用下的简正模劈裂现象

研究了零折射率材料微腔中人造原子与腔模的相干耦合现象.首先通过数值模拟的方法研究了在二维光子晶体微腔中填充阻抗匹配的零折射率材料后腔模的场分布.结果表明零折射率材料的引入使得原本以驻波场形式存在的腔模分布在整个微腔中变得近似均匀且值最大.其次,将人造原子放入腔中的不同位置并与腔模耦合,结果从频谱上观察到腔模的劈裂与人造原子在腔中的位置无关.最后,利用微波实验,通过开口谐振环等效的人造原子与一维复合左右手传输线等效的零折射率材料微腔之间的耦合验证了仿真结果的准确性.该结果为腔量子电动力学中量子点对位难的问题提供了新的方案,同时零折射率材料微腔也为今后研究原子与光子之间的相互作用提供了一个新的平台.