Independent Manipulation of Heat and Electrical Current via Bifunctional Metamaterials
材料本构性质的空间剪裁是一种众所周知的策略，以塑造在不同的物理域中的给定的可观的局部流动。基于坐标变换的方法（例如，变换光学）提供了设计各向异性的、空间不均匀的人造材料（“超材料”）的强大且系统的方法，所述人造材料能够以期望的方式精确地操纵基于波的（电磁的、声学的、弹性的）以及基于扩散的（热）现象。然而，这些方法的通用性，大多数设计迄今为止已被限制在一个给定的物理域中的服务单一的目标功能。在这里，我们提出了一个“转换多物理”框架，允许独立和同时操纵多个物理现象的一步。作为这个新方案的原理证明，我们设计和合成（在现实的材料成分）的超材料外壳，同时表现为一个热集中器和电气“隐形斗篷”。我们的数值结果打开了有趣的可能性，在很大程度上未开发的相空间的多功能元器件，具有各种各样的潜在应用，以电，磁，声，热的情况。
2014-05-13 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Polarisation conversion and optical meron topologies in anisotropic epsilon-near-zero metamaterials
利用等离激元纳米棒超材料的强各向异性诱导的自旋-轨道耦合，控制矢量涡旋光束偏振并生成 meron 拓扑结构，通过改变输入偏振椭圆度实现额外操控，对光学等多领域应用具有重要意义。
2025-01-29 physics.app-ph physics.optics
Scattering of electromagnetic waves from a graphene-coated thin cylinder of left-handed metamaterial
在本文中，我们探讨了薄圆柱的散射行为的左手材料制成的单原子石墨烯涂层。通过改变石墨烯涂层的化学势来证明共振峰的光谱可调谐性，这是在与电介质芯的散射体的情况相反的入射平面波的任何偏振状态下发生的事实。相反，对于电介质环境，不满足不可见性条件。一个奇异的性能也被发现的圆柱体的介电常数和磁导率接近零。我们的研究结果的实际实施可以进行传感和波操纵驱动的超材料。
2017-12-25 physics.optics
Coherent control of nanoscale light localization in metamaterial: creating and positioning a sub-wavelength energy hot-spot
在纳米尺度上精确控制和操纵光场是纳米光子学中最重要和最具挑战性的问题之一。由于光波长在更大的微尺度上，因此不可能为此目的采用常规聚焦。我们表明，在超材料系统中的离散超分子之间的强光诱导相互作用和相干单色连续光束与空间定制的相位分布可以用来制备亚波长尺度的能量本地化。可以在超材料领域中任意创建和定位像$λ/10$这样小的隔离良好的能量热点，为数据存储和成像应用提供新的机会。
2010-10-12 physics.optics
Controlling electromagnetic scattering with wire metamaterial resonators
辐射的操纵是实现一系列电磁应用所必需的。由于天线和散射体的特性对周围环境非常敏感，因此宏观人工创建的材料是塑造其特性的良好候选者。特别是，超材料能够控制电磁状态的色散和密度，可用于从物体散射。因此，适当设计的电磁环境可以控制波的现象。在这里，散射偶极子的电磁特性，位于内部的线介质（超材料）的数值和实验分析。研究了超材料的几何形状、介质内偶极子的排列以及入射辐射频率对散射现象的影响。结果表明，偶极子的谐振与超材料的法布里-珀罗模式杂交，导致电磁特性的完全重塑。观察到受控散射抑制和超散射的制度。数值分析是在协议与实验，在GHz的频谱范围内进行。报告的方法，散射控制与超材料可以直接映射到光学和红外光谱范围内，采用麦克斯韦方程组的可扩展性。
2016-06-05 physics.optics
Designing Metasurfaces to Manipulate Antenna Radiation
从传感到光学计算，设计师在纳米尺度上对光的操纵是几项下一代技术的关键。操纵光的一种方法是设计一种在亚波长尺度上结构化的材料，一种超材料，以具有一些期望的散射效果。超材料通常具有非常大量的几何参数，可以调整，使设计过程变得困难。现有的设计范式要么忽视自由度，要么依赖于数值昂贵的全波模拟。在这项工作中，我们推导出一个简单的半解析方法设计的超材料，从亚波长元件与电和磁偶极子共振。这与几个实验上可达到的制度有关。为了证明我们的方法的多功能性，我们将其应用到三个问题：附近的发射器之间的耦合的操作，将平面波聚焦到一个点，并设计一个具有特定辐射模式的介质天线。
2022-06-09 physics.optics
Experimental realization of a full-band wave antireflection based on temporal taper metamaterials
University of Electronic Science and Technology of China（电子科技大学）；Sun Yat-sen University（中山大学）；Nanjing University of Aeronautics and Astronautics（南京航空航天大学）
针对现有时间抗反射模型带宽受限的问题，本研究实验实现了时间锥度超材料，构建基于压控变容二极管的一维器件，实现全波段宽带抗反射与灵活阻抗匹配。
2025-11-18 physics.optics
Transformation optics based on metasurfaces
最近，已经提出了新的人工材料来控制电磁波-超表面，一种二维超材料。与三维大块超材料相比，这种具有亚波长厚度的人造平面材料大大减少了制造时间并降低了制造复杂度。此外，传统的超材料通常通过在远大于波长的距离处传播来累积相位来控制电磁波的波前。然而，超表面可以仅通过亚波长传播距离有效地操纵入射电磁波的波前。因此，这可以极大地减轻传播损耗。鉴于超颖表面在近场区域对电磁波具有高操纵效率的事实，我们小组研究了使用超颖表面模拟重力的实验工作。
2019-07-11 physics.optics
Abnormal wave propagation of high-k modes in tilted linear-crossing metamaterials
在这项工作中，我们把光轴的旋转作为一个新的自由度，并从理论上提出了倾斜的线性交叉超材料（TLCMM）。具体地说，NLCMM和TLCMM的锥形色散分别具有与凝聚态物理中的I型和II型狄拉克锥相同的形状。当旋转光轴角使其等于锥角时，我们发现这种特殊的TLCMM具有III型狄拉克锥的形状。这个关键的TLCMM可以有许多独特的属性，是一个根本不同的性质比相邻的阶段。当具有较大波矢的电磁波入射到具有开放IFC的超材料时，由于波矢失配，入射电磁波被强烈反射。在这里，我们使用边界条件和因果律揭示TLCMM高k模式可以实现不反射和过滤的异常折射。此外，在基于平面电路的系统中实验观察到这些现象。基于电路的TLCMM不仅为研究超材料中的鲁棒负折射现象提供了一个通用的平台，而且具有易于集成的平面结构。我们的研究结果有关的EM波的操纵，可以使他们在平面集成光子学，包括定向传播，隐身，和开关的使用。
2020-08-07 physics.optics
Nonlocal Optics of Plasmonic Nanowire Metamaterials
我们提出了一个分析描述的非局部光学响应的等离子体纳米线超材料，使负折射，亚波长光操纵，和发射寿命工程。我们表明，在纳米线介质中传播的光波的色散的结果从横向和纵向电磁模式的耦合支持的复合材料，并推导出这种色散的非局部有效介质近似。我们推导出的轮廓的电场的单位细胞，并使用这些表达式来解决长期存在的问题的附加边界条件的计算波的透射和反射的非局部纳米线介质。我们验证我们的分析结果与数值解麦克斯韦方程组和讨论推广的发展形式主义其他单轴超材料。
2013-10-24 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Review of foundational concepts and emerging directions in metamaterial research: Design, phenomena, and applications
在过去的二十年里，人们发现被称为超材料的人造结构表现出非凡的材料特性，能够前所未有地操纵电磁波、弹性波、分子和粒子。负折射、带隙、近完美波吸收、波聚焦、负泊松比、负热导率等现象，所有这些材料都是可能的。超材料最初是在电动力学中理论化和制造的，但对其应用的研究已经扩展到声学，热力学，地震学，经典力学和质量传输。在本研究更新中，我们按领域总结了超材料的历史，当前进展状态和新兴方向，重点是每个学科基础的统一原则。我们讨论了超材料背后的不同设计和机制，以及每个领域的控制方程和有效材料参数。最后，讨论了超材料的应用前景。最后，我们提供了一个展望未来的进展，在新兴领域的超材料。
2022-11-06 physics.app-ph physics.optics
Fourier-Domain Electromagnetic Wave Theory for Layered Metamaterials of Finite Extent
Floquet-Bloch定理允许无限无损耗周期介质中的波被表示为离散Floquet-Bloch模式之和，但其有效性在损耗和有限范围的现实约束下受到挑战。在这项工作中，我们在数学上揭示了存在的Floquet-Bloch模式的电磁场持续的有损耗的，有限的周期性分层介质单独使用麦克斯韦方程组，而不调用Floquet-Bloch定理。从一个通用的分层介质中的电磁场的传输矩阵表示开始，我们应用傅立叶变换和一系列的数学运算来隔离一个明确依赖于Floquet-Bloch模式的术语。电磁场的傅立叶域表示可以简化为Floquet-Bloch项和另外两个矩阵因子的乘积：一个由介质边界的反射决定，另一个取决于层的组成。任何有限的，有损耗的，分层结构中的电磁场现在可以在傅立叶域中通过依赖于结构的不同物理特征的可分离因子来解释。发展的理论使新的方法来分析和交流分层超材料的电磁特性。
2014-12-15 physics.optics
Extrinsic electromagnetic chirality in all-photodesigned one-dimensional THz metamaterials
我们认为，全光设计的超材料，在半导体上的光激发载流子的亚波长定制图案，可以显示一个奇异的太赫兹（THz）频率范围内的非本征电磁手征。我们考虑一个光致图案表现出一维几何手性，即它的镜像不能叠加到自己的平移没有旋转，在长波长的限制，我们评估其双各向异性响应。光诱导的非本征手性原来是完全可重构的，通过重铸的光学照明，支持光激发的载流子。全光设计技术是实现有效物质功能化的一种可行、简单和有效的方法，结合手性不对称性，它可能成为新一代可重构太赫兹波偏振操纵器件的平台。
2016-05-19 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Temporal metamaterials with gain and loss
在有损耗和有增益的系统中操纵波-物质相互作用已经开辟了随意控制波传播的新机制。在过去的几年中，通过利用从量子物理学中得到启发的宇称时间（PT）对称性概念，已经研究了具有空间非均匀损耗和增益的超材料和超表面。在这项工作中，我们从理论上研究了空间无界的超材料具有时间调制的介电常数，其虚部在时间上调制，以诱导损耗和增益，而实部保持不变的光-物质相互作用的控制。我们在数值上和理论上证明了这种具有损耗和增益的时间调制多阶超材料可以等效于具有由时间阶跃函数建模的有效介电常数的时间有效超材料。有趣的是，它示出了如何的单色电磁波的振幅在这样的时间超材料内旅行可以经历时空衰减或放大取决于添加到系统中的损失和增益的值，而其波数被保存。我们设想，我们的研究结果可能会开辟新的途径，在信号放大和损失减轻的时间超材料的潜在应用的探索。
2021-08-02 physics.app-ph physics.optics
A metamaterial modulator based on electrically controllable electromagnetically induced transparency
电磁感应透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）是一种很有前途的增强光-物质相互作用的技术，而最近在人工微结构介质中实现的量子EIT的演示大大降低了对EIT光谱实验观测的极端要求。在本文中，我们提出了电控制的电磁调制器的超材料中的EIT谱。作为可调电阻器的二极管被加载在两对导线的间隙中以感应地调谐磁共振，这通过超材料样品在EIT谱上引起显著的调制。实验测量证实了EIT谱上三个窄带中的电磁调制的预测，并且在通过超材料的透射上实现了高达31 dB的调制对比度。我们的研究结果可能有助于研究平移超材料中的主动/动力学技术，这些技术将超材料中光的流动连接起来，例如，外来的EIT，以及在工业中的实际应用。
2016-05-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.optics
Space-Time Event Scattering and Extension Method (STESEM): A Universal Framework for Scattering in Space-Time Metamaterials
KU Leuven（荷语鲁汶大学）
针对现有时空超材料散射分析方法的局限性，提出通用框架STESEM，通过分解散射过程无需坐标变换，推导典型结构散射响应，为相关超材料设计奠定基础。
2026-08-05 physics.optics
Slow waves in locally resonant metamaterials line defect waveguides
在过去的几十年里，人们一直致力于波的时间操纵，特别是专注于减缓其传播。在电磁学中，从微波到光学，以及在声学或弹性波中，慢波传播确实在很大程度上有利于应用物理和基础物理。例如，通过延迟线和缓冲器等组件的设计，它在模拟信号计算中至关重要，并且它是增加波/物质相互作用的先决条件之一。尽管广泛的社会的兴趣，研究主要是在光学随着波长缩放的结构化复合介质的发展，出现有前途的候选人紧凑的慢光组件进行。然而，它们的最小结构尺度阻止了它们被转换到波长从亚毫米到米的较低频率。在这篇文章中，我们建议克服这一限制，由于深亚波长尺度的局部共振超材料。在我们的方法中，在这里实施的微波制度，我们表明，在这样的复合介质中引入耦合谐振缺陷允许创建深亚波长波导。我们的实验表明，波，而在这样的波导中传播，表现出大大降低群速度。我们定性地解释了这种慢波传播的机制，并首先实验证明，然后数值验证，它可以被利用来调整速度，实现组指数ng高达227在相对较大的带宽。最后，我们强调我们的线缺陷慢波波导在局部谐振超材料的三个有益的后果：深亚波长尺度，非常大的群指数和慢波传播不会发生在急剧的带宽减少的代价。
2017-07-07 physics.optics
Longitudinal field controls vector vortex beams in anisotropic epsilon-near-zero metamaterials
本研究提出利用极端各向异性epsilon-near-zero超材料操控带纵向场的矢量涡旋光束的方法，可调控模式、滤除衍射并定制偏振分布，为多领域光学应用开辟新方向。
2024-10-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Realizing spin-dependent gauge field with biaxial metamaterials
电磁学中的人工磁场以其几何和拓扑性质成为一种新兴的光鲁棒控制方式。除了使用光子晶体或波导阵列在衍射机制中演示拓扑光子学特性之外，如果可以在长波长极限中简单地进行类似的操作，则将引起极大的兴趣，在长波长极限中仅可以使用几个光学参数来描述系统，使得未来的光学元件设计更加容易。在这里，我们通过设计和制作一个具有分裂色散表面的超材料，提供了一个简单的实验实现自旋相关的规范场在真实空间使用双轴材料。在这种规范场下，实验上观察到了光自旋霍尔效应的一种表现形式，即对所需赝自旋的光的“磁力弯曲”。这对发展赝自旋光学、拓扑元件和自旋变换光学器件具有潜在的意义。
2018-03-13 physics.app-ph physics.optics
Time-dependent high-contrast subwavelength resonators
在超材料领域，许多有趣的现象都是由于具有空间周期性的结构而产生的。在不定常的结构中，概念上相似的性质可能出现，然而它们具有根本不同的物理含义。在这项工作中，我们研究了亚波长超材料背景下的不定常系统。主要结果是电容矩阵表征的能带结构，概括了以前最近的静态亚波长超材料的工作。这一特性为计算不定常结构的色散关系提供了理论依据和有效的数值方法。我们在几个结构中展示了有趣的波操纵特性。
2021-06-21 cond-mat.mtrl-sci math.AP physics.optics
Designing Space-Time Metamaterials: The Central Role of Dispersion Engineering
本文提出通过色散工程设计时空超材料，实现对电磁波的动态四维控制，推动无线通信、量子技术和集成光子学的发展。
2025-11-24 physics.app-ph physics.optics
Independent Manipulation of Electric and Thermal Fields with Bilayer Structure
近年来，利用相变材料和超材料对各种物理场进行操控的研究越来越受到人们的关注，这需要复杂的结构，并且通常局限于单个场。在这里，我们第一次提出并实验证明了双层结构，以实现同时独立的多物理场（直流电场和热）直接求解直流电/热场方程的操纵。该结构由两层组成：外层由各向同性均质材料制成，内层为扇形层。由于它不是基于TO，它可以很容易地用自然发生的材料实验制造。在实验上，我们设计，制造和表征两种结构同时表现为直流电斗篷/热集中器和直流电集中器/热斗篷，分别。仿真结果与实验结果吻合较好，从而证实了我们的方法的可行性。这项工作为多物理场的操纵提供了一条新的途径，因此可能在各个领域中找到潜在的应用。
2015-01-30 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Observation of Temporal Reflections and Broadband Frequency Translations at Photonic Time-Interfaces
本文报告了在开关传输线超材料中观测到的光子时间反射与宽带频率平移，通过同步开关阵列突变改变有效电容，并利用双时间界面实现了 Fabry-Perot 腔的时间对应物，为时间超材料与极端光子调控奠定基础。
2022-11-04 cond-mat.other physics.app-ph physics.optics
Spin-controlled photonics via temporal anisotropy
基于时变本构特性的时间超材料为先进的场操纵提供了新的可能性。在这项研究中，我们探索的能力，各向异性的时间板，它依赖于突然变化的时间从各向同性到各向异性的响应（反之亦然）。我们的研究结果表明，这些平台可以有效地操纵波自旋维度，允许一系列有趣的自旋控制光子操作。我们证明了这些能力，通过自旋相关的模拟计算和自旋轨道相互作用的影响，涡流的产生的例子。这些结果为时间超材料领域提供了新的见解，并在通信，光学处理和量子技术中提出了潜在的应用。
2023-02-22 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Unlocking the full potential of wave-matter nonlinear coupling in the epsilon-near-zero regime
近年来，非常规的超材料特性引发了电磁研究的革命，揭示了波-物质相互作用的新场景。非常小的介电常数是这种不寻常特征的主要例子，因为它产生了一种奇异的静态状态，其中电磁场在物理上很大的区域内空间缓慢变化。因此，所谓的ε近零超材料提供了一个理想的平台，可以操纵“拉伸”场的内部细节。在这里，我们从理论上证明，一个标准的非线性是能够操作这样的操纵点，即使是薄板产生一个显着的非线性脉冲变换，如果介电常数是非常小的场带宽内。预测的非共振释放的全非线性耦合产生的ε-近零条件不诉诸任何场增强机制，并开辟了新的途径，利用物质非线性转向辐射的超紧凑结构。
2015-07-10 physics.optics
Magnetic Circular Dichroism in Hyperbolic Metamaterial Nanoparticles
一些纳米材料的光学性质可以通过外部磁场来控制，从而为从单分子传感到纳米级非互易光学隔离的广泛应用提供活性功能。因此，具有宽带可调磁光响应的材料非常需要用于下一代集成光子纳米器件中的各种组件。同时，双曲超材料在过去的十年中受到了很多关注，因为它们表现出在自然界中很少观察到的不寻常的特性，并提供了一个理想的平台，通过精心设计的有效介电常数张量来控制纳米尺度的光学响应，超越了传统系统的可能性。在这里，我们实验研究磁性圆二色性在超颖表面上的透明基板上的II型双曲纳米粒子。数值模拟证实了实验结果，并建立了一个分析模型来解释所观察到的磁光效应的物理起源，这可以描述在与外部磁场的基本电和磁偶极子模式的耦合。我们的系统铺平了道路的纳米光子有源器件的发展相结合的好处，支持大密度的光学状态的能力，通过控制系统的各向异性介电常数自由调谐的磁光响应的双曲超材料的亚波长光操纵。
2021-03-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Stationary Charge Radiation in Anisotropic Photonic Time Crystals
时间超材料在波操纵方面表现出巨大的潜力，近年来引起了人们的广泛关注。在这里，我们探讨了奇异的波动动力学的各向异性光子时间晶体（APTC），形成的各向异性介质，其光学性质是均匀的，周期性地随时间变化。基于时间转移矩阵的形式主义，我们表明，一个固定的电荷嵌入在APTC可以发射辐射，在各向同性光子时间晶体的情况下，其在动量空间的分布是由APTC的能带结构控制。我们的方法扩展了时间超材料的功能，为同时产生和控制辐射提供了新的机会，对经典和量子应用都有影响。
2023-02-01 physics.app-ph physics.optics
Local field topology behind light localization and metamaterial topological transitions
我们重新审视的机制，在表面等离子体激元（SPP）模式的光的亚波长空间定位调查在SPP频率的光功率流的本地和全球的功能。对瞬时坡印廷矢量的仔细检查揭示了在金属-电介质界面处形成的光学涡旋-循环功率流的局部区域。因此，光能通过金属和电介质之间的亚波长厚的“传送带”循环，在那里它产生高密度的光学状态（DOS），紧密的光能局域化和与SPP波相关的低群速度。金属-电介质-金属波导中成键和反键SPP模式的形成也可以方便地用两个金属界面之间局部功率流涡旋的不同空间布置来解释。最后，我们研究了由多个金属和电介质薄膜组成的超材料中全局拓扑转变的潜在机制，即，过渡的等频面从椭球到双曲面，这是不伴随着打破晶格对称性。我们的分析表明，这种全球性的拓扑转变是由动态的局部重新安排的局部拓扑特征的光学干涉场，如旋涡和鞍点，重新配置全球光学功率流内的超材料。这些对等离子体光局域化和DOS操纵的新见解不仅有助于解释SPP波的众所周知的性质，而且还为各种实际应用的等离子体元件和材料的设计提供了有用的指导方针。
2015-02-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spatiotemporal Isotropic-to-Anisotropic Meta-Atoms
本文提出时空超原子概念，通过在亚波长区域内快速改变介电常数形成各向同性到各向异性时间边界，实现对散射波方向的实时任意操控，为四维超材料和超表面发展开辟新途径。
2021-06-23 physics.app-ph physics.optics
Tailoring dielectric resonator geometries for directional scattering and Huygens' metasurfaces
在本文中，我们描述了一种方法来定制的超材料介质谐振器的设计，这是一个有前途的路径，在光频率的低损耗超材料。我们首先描述了一个程序来分解的多极场分量的亚波长谐振腔散射的远场，多极远场提供明确的表达式。我们应用这个公式来确认，一个孤立的高介电常数立方体谐振器具有频率分离的电和磁偶极共振，以及磁四极共振在接近电偶极共振。然后，我们引入多个介电间隙的谐振器的几何形状的微扰理论所建议的方式，并证明重叠的电和磁偶极子共振的能力，从而使定向散射满足第一Kerker条件。我们进一步证明了推动四极共振远离简并偶极共振，以实现本地行为的能力。通过多极展开证实了这些性质，并表明使用微扰理论建议的几何形状是实现超材料应用（如惠更斯超表面的波前操纵）的纯偶极共振的可行途径。我们的结果是完全可扩展的任何频段，其中高介电常数介电材料可用，包括微波，太赫兹和红外频率。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall physics.optics
Temporal Brewster angle
本文提出时间布儒斯特角概念，利用时间调制介电常数从各向同性快速切换为各向异性张量，在特定入射角下消除时间反射波、仅保留时间透射波，并给出闭式解析表达式，为时间超材料实时调控电磁波传播与波物相互作用提供新思路。
2021-02-26 physics.app-ph physics.optics
Temporal refraction and reflection in modulated mechanical metabeams: theory and physical observation
本研究在带压电阵列的机械超梁中实验观测到时间界面的弯曲波折射反射，验证了时间斯涅尔定律等，还通过多阶梯界面、平滑阻抗变化实现波调控与波形编码，为时间机械超材料及声子调控提供新方向。
2025-01-17 physics.app-ph physics.optics
