编者按

近期，《中国光学》“超构表面2.0”专刊发表了上海复旦大学周磊教授团队的文章“人工原子间耦合：超构表面调控电磁波的新自由度”，该文被推选为专刊封面文章。

《中国光学》执行主编李耀彪博士特别邀请了周磊教授团队进行访谈。

此封面文章围绕处理人工原子间耦合问题的理论工具展开讨论。在回顾前人的一些处理方法之后，重点介绍本课题组近期发展的一系列理论方法，从光子封闭体系的少体问题到周期体系，再到开放体系下的复杂光子共振结构，系统介绍了各种体系下对于耦合问题的理论理解，以及如何利用这些理论工具实现角度色散调控、谱线线型调制等具有特定电磁波调控功能的新型超构表面。本期，让我们一起走进周磊教授研究团队，了解封面文章背后的故事。

访谈:

01.李耀彪：为什么人工原子间的耦合对超构表面调控电磁波至关重要？

周磊:电磁超构材料是指由人工原子按一定宏观排列方式组成的人工复合材料,具有超越自然材料的奇异光学响应，因此对电磁（光）波具有超乎寻常的调控能力，实现了诸如负折射率、超分辨成像、电磁隐身等自然材料不能实现的奇异物理效应。电磁超构表面--这类二维超构材料，因其平面型结构构型，使其具备了低损耗、易制备、小体积、易集成等诸多优势，在片上集成光学、通讯、能源和国防等领域都具有重大应用潜力。而决定超构表面对电磁波调控能力的就是其所构成的核心元素-人工原子的电磁响应。

目前，人们常用的微纳人工原子结构有金属纳米棒、金属-绝缘体-金属微纳结构、金属开口环结构和介质纳米盘等。作为构建光子共振体系(如超构材料和超构表面等)必不可少的组成部分，人们对这些基本结构单元的光学响应的研究已经非常成熟。人们发现，基于单一的电磁共振体构成的“人工原子”的共振模式一旦确定，体系的电磁特性也就基本固定了，很难再进行调控以满足各种复杂的实际需要。然而，当人们将多个共振单元组合到一起的时候，不同共振单元的局域电磁模式之间的耦合作用可以使得这类复合人工原子具有更为奇异的电磁特性。通常情况下，人们会利用一些具有较强辐射能力的人工原子设计用于信息传输和一些具有高品质因子的微纳结构用来增强局域光场。然而当人们需要同时具备较强的局域场增强和辐射能力的时候，简单的共振结构就无能为力了。这时，多个人工原子之间的耦合作用就为人们开辟了一条新途径来突破单一人工单元的电磁响应相对简单的局限性。因此，基于复合人工原子设计的超构表面就可以具有更为复杂、可控的光学响应，以满足不同的应用需求。

图1光子共振体间通过复杂耦合作用调制远场响应

02.李耀彪：研究人工原子间耦合作用有哪些方法？

周磊:人们一直试图利用不同的理论方法，来揭示人工原子间的耦合作用的物理根源。这些理论方法大体可以被归为两类：数值/半解析的方法(如有限元法，离散偶极近似法、准模法等)和唯象的参数理论模型(如耦合模理论，Fano理论等)。前者能够计算、处理复杂体系（如形状不规则且周围环境较复杂的孤立纳米颗粒和梯度超构表面），并在数值上给出非常精确的解释，比如准确计算电偶极子-金属纳米结构体系中的Purcell效应等。然而，它们往往需要依赖计算机的运算能力，耗费大量的计算资源，而且并不能清晰的对应的物理图像。而后一类理论方法能够提供物理图像的理解，如Fano共振理论有效揭示了实验测量得到的光谱所显示出的典型不对称形状可以是由两个阻尼系数差异很大的振子发生弱耦合而产生的。然而，参数理论模型方法的局限性在于其本质上是经验性的，通常需要通过拟合已有的结果进行分析，无法预测未知现象。

针对上述问题，我们团队希望能在前人研究的基础上，从麦克斯韦方程组出发，建立起描述耦合光子共振体系的理论方法，能合理解释和计算所有类型的电磁共振体之间的耦合作用，并且包含辐射修正、电磁交叉耦合等各种复杂的耦合效应，为人们理解并调控多共振体间的耦合行为提供了扎实的数理基础。

图2常用理论方法：a)离散偶极近似法，b)等效电路方法,c)耦合模理论

03.李耀彪：您在研究人工原子间耦合作用的过程中经历了哪些重要阶段，解决了哪些重要问题？

周磊:我们团队早在年左右就开始

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkcf/8051.html