引入石墨烯的超材料EIT结构：发展与实现

电磁诱导透明(Electromagnetically-Induced Transparency,EIT)是原子物理学中一个很重要的物理现象[1-3],其本质是在共振条件下,即当光的频率与相应的原子跃迁频率相匹配时,光原子激发通道之间的量子相消相干,使得介质在一个宽的吸收带中产生了一个很窄的透射峰。近年来,超材料的出现为EIT的实现提供了新的思路,并在微波、太赫兹(THz)波和光学波段引起了人们的广泛关注。2012年,刘冉等[4]设计了金属分裂环谐振结构的超材料,实验发现该平面超材料的电磁响应可类比经典的电磁诱导透明现象。2014年,Zhang等[5]提出了基于超材料的双频段EIT结构,通过构造3个金属谐振结构,实现了电磁诱导透明现象。通常金属结构EIT的Q值是小于10的,2014年,Yang[6]等设计了纯介质的EIT结构,这种由矩形条谐振器和环形谐振器构成的纯硅结构的EIT可实现高达483的Q值,从而在传感方面具有重要的应用。

通常,超材料EIT结构的透明窗都在固定频率,若调节透明窗的频率或幅度,必须改变结构的几何参数,而这对于已加工好的器件是很难实现的。因此,如何通过调节外部参数实现可调的EIT现象,是目前的一个研究热点。2015年,M.Amin等[7]提出了在超材料中引入石墨烯,形成石墨烯和金属方环组合的EIT结构。模拟发现通过改变石墨烯上的外加电压能够实现对EIT现象的动态可调。2015年,Wang[8]提出了三层石墨烯波导结构,模拟发现通过改变外加电压可在太赫兹频段改变EIT的工作频率和透射率。2016年,Ding等[9]设计了基于石墨烯谐振线状的超材料EIT结构,在太赫兹频率范围观察到了可调的EIT现象。2017年,He等[10]提出了基于石墨烯条和环的电磁诱导透明结构,模拟发现可以通过分别调节条和环结构的石墨烯来实现可调的EIT特性。2018年,Xiao等[11]在石墨烯条上构造了金属线和金属方环,通过调节石墨烯的电压实现了可调EIT现象。为得到极化不敏感的可调EIT结构,2016年,Chen等[12]提出了多层石墨烯方块-介质组成的EIT结构,利用介质间石墨烯的相互谐振效应得到了多频段的极化不敏感的EIT现象,理论结果和模拟结果一致。

针对电磁诱导透明的动态可调问题,众多研究者已经提出了较多的实现方案,但是在以上提出的超材料EIT结构中,除M.Amin提出的模型[7](金环和方形石墨烯复合结构)和X.Chen等[12]提出的多层石墨烯-介质结构外,其他结构均在一种极化方向下存在EIT现象或者具有极化敏感特性。(www.xing528.com)

本章基于电磁超材料设计了几种极化不敏感的EIT结构。首先本章提出了基于石墨烯的可调EIT结构,不仅实现了极化不敏感,同时实现了对EIT现象的动态可调。其次本章设计了基于石英基底的非可调EIT结构,并进行了加工和测试,测试结果和模拟结果基本一致,从而为太赫兹极化不敏感的EIT结构提供了理论指导和技术支持。