近日，南京理工大学物理学院蒋立勇教授团队在光子晶体双零折射率材料研究上取得重要进展，相关成果以“General double-zero-index photonic crystals”为题发表在物理学国际顶尖期刊《Physical Review Letters》上。
双零折射率材料是一类具有极端光学参数的介质，其介电常数和磁导率都趋近于零，光的有效波长趋于无穷大，传播相位几乎保持不变，在通信、成像、精密测量与传感等领域具有诱人的应用前景。尽管自然界中并不存在双零折射率材料，然而通过人工构造光子晶体结构并调控其相关参数，可以在布里渊区中心Γ点产生狄拉克能带简并实现等效的双零折射率。基于折射率与波矢量的关系n =kc/ω，这种依赖Γ点（k = 0）的机制长期以来被认为是光子晶体中实现双零折射率的主要途径。
针对上述局限，研究团队提出了“广义双零折射率”概念，将原本仅能在布里渊区中心（Γ点）实现的等效双零折射率行为拓展至其它高对称点。对于广义双零折射率材料，无论是在Γ点处（k = 0）还是在非Γ点处（k ≠ 0）系统只要满足等效波矢k’ =0，理论上都可以实现n =k’c/ω=0。团队还严格推导出在二维厄米光子晶体中实现广义双零折射率的充分必要条件，为指导广义双零折射率材料设计提供了明确依据。实验中，团队设计了一个正方晶格光子晶体样品，在布里渊区X点处验证了其具有广义双零折射率。与此同时，相较于传统Γ点处双零折射率效应，X点处双零折射率效应因消除了平带干扰并且能够工作在光线以下频率，因而展现出优异的波前整形能力和无面外辐射损耗特性，具有更加广阔的应用前景。本工作不仅深化了对光子晶体零折射率物理机制的理解，更为高指向性天线、多目标成像、集成片上相位匹配波导等器件设计提供了新思路。
广义双零折射率光子晶体体系及应用
