ENGLISH

电子新闻

电子系李越课题组揭示介电常数近零媒质中多谐振体的无耦合效应

发布时间:2022-07-11 点击数:

近日,电子工程系李越副教授课题组揭示了介电常数近零媒质(ENZ)中的多个介质掺杂物间存在反常的无耦合效应,并提出了基于ENZ媒质的色散编码方法,实现对ENZ媒质多个频率上的磁导率的独立调控。研究成果在电磁参数调控、器件设计和信号处理等多个方面具有重要的应用价值。相关论文发表在国际期刊Light: Science & Applications

ENZ媒质是一类介电常数趋于零的电磁媒质,因其特殊的电磁性质而受到学术界的广泛关注。在ENZ媒质中,电磁波的波长被无限拉伸,呈现空域静态分布而时域振荡的“空时解耦”特性。2017年,美国宾夕法尼亚大学Nader Engheta教授和清华大学李越副教授在Science上合作发表文章,提出了ENZ媒质光学掺杂的概念,指出:基于单一介质掺杂物可灵活改变ENZ媒质在特定频率附近的磁导率。然而,是否能将光学掺杂方法从“单体”拓展到“多体”,进行多自由度电磁调控,还有待进一步研究。

针对上述科学问题,李越副教授课题组通过理论和实验研究,揭示了ENZ媒质中的多个掺杂物之间具有反常的无耦合特性,即每个掺杂物对ENZ媒质磁导率的贡献都是独立的。一般而言,对于放置在自由空间中的多个介质谐振体而言,当它们间距较小时,将产生电磁耦合,相应的谐振频率将发生偏移。然而,由于ENZ媒质中特有的均匀场分布,放置在其中的多个介质谐振体(即掺杂物)是完全独立、无耦合的。研究指出,包含多个掺杂物的ENZ媒质(图1(a))在频谱上呈现出梳状滤波响应;且由于掺杂物的无耦合效应,ENZ媒质的磁导率函数(图1(b))及透射响应(图1(c))中的零极点可以独立调节。

undefined 

图1 (a)ENZ媒质色散编码的概念图;(b)、(c)分别为包含7个掺杂物的ENZ媒质的等效磁导率和透射幅度谱

基于ENZ媒质中掺杂物的无耦合效应,研究团队提出了ENZ媒质的色散编码方法,即通过采用多个独立的掺杂物,对ENZ媒质在多个频率上的磁导率进行独立调控。利用ENZ媒质色散编码方法,研究团队进一步提出了相关的电磁器件设计。所提出的可重构的梳状滤波器如图2(a)所示:通过对掺杂物加载开关,可对体系的梳状响应进行操控,控制频率梳“梳齿”的个数及位置。所提出的无源标签设计如图2(b)所示:若ENZ媒质中包含N个掺杂物,通过选择每个掺杂物是否使用,我们可得到2N种频谱响应,即对应2N种信息序列。和传统的射频识别标签对比,由于ENZ媒质可在太赫兹乃至光学波段找到实现方案,因此所提出的新型无源识别标签可以工作在较高的频率。此外,由于ENZ媒质中的掺杂物的排布是任意的,所设计的ENZ器件具有极大的几何结构灵活性,在微波、光学工程、信号处理方面具有良好的应用前景。

undefined 

图2 ENZ媒质色散编码的应用

本论文工作的第一单位为清华大学电子工程系。李越副教授为本文通讯作者,电子工程系2017级博士生周子恒和2018级博士生李昊为论文的共同第一作者。清华大学电子工程系2019级博士生孙旺宇、2016级校友何翼景、西班牙纳瓦雷公立大学博士伊涅格·里博洛(Inigo Liberal)也参与了论文工作。清华大学冯正和教授、美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系教授纳德·恩赫塔(Nader Engheta)对论文工作提供了宝贵建议和指导。研究工作得到了国家自然科学基金资助,以及北京信息科学与技术国家研究中心和电子系自主科研经费的支持。

论文链接:

Ziheng Zhou, Hao Li, Wangyu Sun, Yijing He, Iñigo Liberal, Nader Engheta, Zhenghe Feng, and Yue Li*, Dispersion coding of ENZ media via multiple photonic dopants, Light: Science & Applications, 11(207), 2022.

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00892-8

分享到: