近日，我院物理与电子技术教研室团队的徐杰博士（最后一位通讯作者）、罗亚梅博士（共同通讯）在近零折射率（Index-near-zero，INZ）电磁模式的理论及应用领域取得了突破性进展。

前言

鉴于全球能源危机日益紧迫，采用可持续、更清洁的替代能源，如核能，以取代低效能源，已成为刻不容缓的任务。同时，利用低损耗、高速的光/光子或电磁波而非电子/电能进行信号通信与计算，亦成为切实可行的解决方案。然而，现存的主要挑战在于如何以简便而高效的方式操控电磁波。实现电磁波的零相移传输和/或通信，对于电磁波的操控具有重大意义。在此背景下，INZ模式应运而生，并受到广泛研究。

INZ模式拥有卓越的电磁特性，其波导中传输的空间相位保持不变，这一特性在波前调控工程中具有极高的研究价值。具体而言，INZ模式可细分为三类：介电常数近零的ENZ模式、磁导率近零的MNZ模式，以及介电常数和磁导率均近零的EMNZ模式。INZ模式可在多种系统中实现，包括波导、基于有效介质理论的分层结构、谐振腔以及具有狄拉克锥色散的光子晶体（PhC）。尽管INZ相关理论与制造技术取得了显著进展，但仍有局限性，如高昂的制造成本、复杂的工艺、不连续的工作频率、较大的设备成本和损耗。因此，寻找能够灵活调控INZ模式的新平台/结构，并使其对制造缺陷不敏感，仍是一个亟待解决的问题。

近年来，磁光（MO）单向波导/模式因其独特的磁可控特性而受到广泛关注。与拓扑保护边界模式相似，MO单向模式在波导/表面表现出卓越的“准直”特性。这些模式大致可分为两类：由MO材料制成的PhCs和由连续MO材料组成的直波导结构。在这两种情况下，均通过施加外部磁场（EMF）来破坏系统的时间反转对称性，从而实现单向传播。MO单向模式已广泛应用于各种光学功能器件，如滤波器和分离器。最近，研究者成功在单向磁光波导中实现了“理论上可调谐”的INZ模式。然而，INZ模式的调制目前主要依赖于调整波导厚度参数，这显然不适用于实际操作，因此仍需进一步探索更为简便、实用的调控方法。

研究概要

图1. 通过调控外磁场大小和位置可实现对出射相位、出射模式等效折射率等的调控

在文章中，徐杰等人成功在微波频段利用简单的直波导结构：1）发现并证明了三种INZ模式的存在；2）提出利用外磁场精确调控出射电磁波的有效折射率（如图1所示）。文章首次报道了线性可预测的INZ模式，即INZ模式的频率与外磁场存在线性关系，这意味着理论上可以通过调节外磁场大小灵活地调控出INZ模式。这种可调控且可预测的INZ模式在光通信领域具有重要的应用前景。另外，该文章也展示了利用INZ模式可以进行相位调控器的设计，得益于出射电磁波模式的空间相位不变性，通过调控外磁场的范围即可灵活调控不同的出射相位（如图2所示）。

图2.（a）理论上单向INZ模式在U型结构中也可保持单向传输，不受背向散射的影响；（b）利用单向INZ模式实现均匀可调的出射相位，并用以实现相位调控器

该研究成果已于4月3日被国际知名学术期刊《Applied Physics Letters》正式接收，题为“Precisely tunable and predictable index-near-zero modes across continuous and broad bands”。《Applied Physics Letters》是美国物理联合会（AIP）旗下一本致力于发表高质量物理科学论文的期刊，属于中科院2区TOP期刊，其主要关注领域包括光子学和光电子学、表面和界面物理、磁学和自旋电子学、低维和拓扑材料等。

文章DOI：https://doi.org/10.1063/5.0209239