单轴Metamaterial中的异常色散与电磁波速研究

本项目旨在针对单轴各向异性 人工媒质的色散特性进行研究，特别关注当其光轴方向的介电常数或磁导率张量元素满足带有损耗的Drude 色散模型时，在等离子体频率附近，因其色散曲线由开放的双曲线向封闭的椭圆过渡而产生的复杂色散行为，以及由此引发的异常电磁波速现象，如超快相速度和负群速。本课题拟在理论和仿真研究的基础上，实现磁型单轴人工媒质的实验样品，搭建X 波段微波试验装置展开实验研究，得到有效的实验结果，并在此基础之上探讨其可能的应用。..根据以上研究目标，课题组进行了相应的理论、仿真和实验研究工作。在为期三年的研究中，我们首先对单轴媒质在等离体频率附近因为媒质损耗引发的异常色散进行了理论分析，指出了在该频段内存在负群速的可能性。在实验研究中，我们仿真、设计和物理实现了X波段的单轴人工媒质样品，并在远离Lorentz吸收谐振区域的等离子体频率附近，实验测量到了最大-0.3倍自由空间光速的负群速。在进一步的实验研究中，我们验证了Sommerfeld和Brillouin有关信息速度的结论，并指出负群速可以认为是异常色散引起的电磁包络畸变的结果。根据上述研究结论，我们提出了利用单轴人工媒质中的负群延时效应进行通信系统中包络畸变的补偿，以扩展通信系统理论带宽的设想，并将在后续研究中验证其可行性。以上研究进展先后两次发表在了Nature出版集团的Scientific Reports上，并发表了多篇SCI及国际会议论文，完成了本项目预期的研究目标。