浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院博士生秦鹏飞 (导师：李尔平教授)与我校信电学院杨怡豪博士（导师：陈红胜教授）为论文共同第一作者的 关于新型双曲线超表面人工电磁材料的研究论文《Type-I hyperbolic metasurfaces for highly-squeezed designer polaritons with negative group velocity》”于2019年5月1日在线发表在国际综合类期刊《Nature Communications》上。新加坡南洋理工大学张柏乐教授，浙江大学信电学院陈红胜教授与山东大学王作佳副教授为共同通讯作者。
I型双曲线超表面人工电磁材料
卫星通信、雷达、传感系统等与我们生活息息相关的电子器件与光子器件都离不开电磁场与物质的相互作用。研究新型电磁材料对电磁场的调控一直是电磁学和光学的重要研究课题。近年来，科学家们发现在原子层厚度的范德瓦尔斯（van der Waals）材料和人工电磁异向介质（metamaterials）异质结中，存在一种特殊的双曲线极化激元（Hyperbolic polaritons），为纳米尺度的光与物质相互作用提供了全新的调控机理。以双曲线材料氮化硼为例，科学家发现在中红外波段，该材料的两个不同的能带均支持双曲线极化激元。氮化硼材料具有众多突出优点，包括对光具有极强的约束、极高等效折射率以及低传输损耗，有望应用于超透镜、增强光与物质相互作用、强普朗克热辐射等领域。但是在自然材料中，双曲线极化激元只能存在于较窄的红外频段，设计频率和色散可调控的双曲线型超薄电磁材料具有重要的研究和应用价值。
在该工作中，研究团队提出了一种新型人工电磁材料—I型双曲线超表面（metasurface），其磁导率在面内为正，沿面外方向为负。该超表面支持一种特殊的人工极子激元（designer polaritons），其相对波矢极大（故等效折射率极高），并且群速度为负数。在实验中，该超表面由金属线圈排列而成，并利用印刷电路板技术实现。研究人员进一步实验表征了该超表面，测得其等效相对折射率可达60，所支持表面波的群速度低至真空光速的1/400。此外，由于表面波群速度为负，研究人员实验观察到该超表面色散曲线为一个锥形，即频率越高，波长反而越长。通过对该超表面的剪裁，研究团队制作了一个微波波导电路，由于超表面极高的折射率，该波导电路的尺寸仅为传统波导电路的几百分之一倍。
该工作为双曲线型人工电磁材料的研究提供了新思路，并为极化激元光子学提供了一个新的研究平台。在应用研究领域，该双曲线超表面有望应用于超小型化波导电路、慢光器件、无线能量传输以及低阈值太赫兹自由电子激光器等领域。
在这项工作中，南洋理工大学博士后林晓博士也在此工作中作出了重要贡献。该工作受到国家自然科学基金委杰出青年基金项目和面上基金项目资助。
