Prof. Zhou

复旦大学周磊老师课题组 Research Group of Metamaterials

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导师信息

周磊教授

Prof. Zhou

	通信地址：上海市淞沪路2005号，复旦大学江湾校区物理楼S206
	电话&传真：86-2131245236
	邮箱：phzhou@fudan.edu.cn
	主页：http://www.physics.fudan.edu.cn/tps/people/lzhou
	谷歌链接：https://scholar.google.com/citations?hl=zh-CN&user=edBx_WIAAAAJ
	Web of Science链接：https://www.webofscience.com/wos/author/record/1815379

个人简历

	1972 1988.9–1992.7	出生于山东新泰。复旦大学物理系本科生。
	1992.9–1997.7	复旦大学物理系硕士，博士研究生，导师陶瑞宝教授。研究方向为量子自旋体系的理论方法。详细
	1992–1997年间，我在复旦大学物理系陶瑞宝教授的指导下攻读哲学博士学位，从事自旋体系的理论方法研究。曾花费10个月时间考GRE，TOFEL，盲目跟从“出国风”。1995年春天极度彷徨，不知出国的意义何在。最终战胜自我，在一个星期的痛苦思索后于3月12日做出决定，在复旦将学位拿到，然后找机会出国做博士后。当时的理由是在复旦的课题已全面展开，而放弃这一切去国外重新开始一段自己也不知道的经历不见得比现在更明智，而时间浪费了就找不回来了。以后的经历证明了此选择对我自己是正确的。特别感谢韩奎：他在我最彷徨的时候给了我正确的建议。博士期间导师陶先生给了我极大的学术自由度，这极大地培养了我的独立工作能力。博士论文主要包括以下两部分：（1）解决了包含单体各向异性（DS_z^2）的量子自旋体系的一个理论难题。单体各向异性是量子自旋体系中最常见的一种各向异性：当D > 0时，我们称其为易平面各向异性（因XY面是磁矩喜欢呆的面），反之，我们称之为易轴（Z轴）各向异性。但在处理此类问题时，前人的理论方法总会碰到一个低能激发为虚数的问题。需要注意的是，这是一个纯量子问题，在经典体系中并不存在。我们首先对自旋为1的体系提出一个新的自旋—玻色变换方法（特征角方法）：J. Phys. A: Math. Gen. 2, 5599 (1994)（这是我的处女作，文章接受时的激动心情到现在仍记忆犹新），解决了自旋为1的易平面各向异性体系的问题；后来结合局域坐标变换，我们发现可以相当成功地解决含任意形式单体各向异性的自旋为1的体系的问题：Phys. Rev. B 54, 6333 (1996)；和师弟合作成功将特征角方法推广到S=3/2情形：Phys. Lett. A 220, 158 (1996)。最后在仙台推广到任意自旋的情况（此为后话）：J. Phys. A: Math. Gen. 32, 6687 (1999)，彻底解决了这个理论问题。（2）提出了矫顽场的量子理论。传统的矫顽场理论是Stoner & Walfath的经典理论，我们提出激发态能隙是判断亚稳态是否稳定的指标，而激发态能隙为0是即是自旋翻转的时刻。基于这个概念我们提出了矫顽场的量子理论，并用于计算分析磁多层膜的“覆盖层效应”：Phys. Rev. B 54, 9924 (1996)，“多值记忆”：Phys. Rev. B 55, 3693 (1997)，最后利用格林函数方法发展了有限温度的矫顽场的量子理论：Phys. Rev. B 57, 7863 (1998)（这个工作引起了欧洲一些实验工作者的注意，我们的一些预言被实验证实。在仙台时查到此文被他人引用，兴奋不已）。
	1997.3–1997.5	香港科技大学物理系访问学者。研究课题为磁流变液的基态问题，合作者为沈平教授，温维佳博士。详细
	1997年春天，陶先生派我到香港科技大学物理系访问，有幸向沈平教授这样的国际知名科学家学习。最初的计划是与香港的一个公司合作发展一套微磁学的计算软件，后来沈平教授建议我和温维佳博士合作研究磁流变液的基态问题。电（磁）流变液是一些包含有介电（磁性）颗粒的悬浮液，它们的流体性质可以被外加电（磁）场控制。因其相应时间比机械控制时间快几个数量级，一旦这种材料的流变性质达到要求，它们可以广泛应用在汽车刹车等领域。在基础研究方面，当时在这个领域中国际上有着不小的争论——首先，为什么磁流变液有成柱现象（而且是椭球状）而电流变液却没有；其次，对磁流变液基态的柱子的直径与长度的级数依赖关系的指数大家也有不同的实验结果。我们经过研究提出一个统一的理论结合我们自己的实验结果平息了这场争论。理论的核心是退磁场效应。研究结果发表在Phys. Rev. Lett. 81, 1509 (1998)（此文前后仅花了大约3个月的时间，以后再也没有那么快的速度了，这也是我在此领域中的唯一的一个工作）。
	1997.9–2000.3	日本仙台东北大学金属材料研究所博士后。研究方向是过渡金属材料的磁性，主要合作者为川添良幸教授，王鼎盛教授，王建涛博士。详细
	1997年秋天，我到日本仙台市东北大学金属材料研究所川添研究室从事博士后研究。还记得川添教授第一次和我谈话时即要求我摆脱博士时的课题，开发新的领域（至少是不同的方向或方法）。所以我经过一段时间的调研，选择研究过渡金属（Fe, Co, Ni）材料（包括磁薄膜，团簇等）的磁性，用的方法主要为巡游电子磁性理论，包括紧束缚模型计算和密度泛函理论第一原理计算。这是磁学这一博大精深的领域的另一面，和局域自旋理论（我博士期间的课题）互相补充。特别感谢金晓峰教授，在我去仙台前他给了我相当有价值的建议。我在仙台做的第一个工作即是将矫顽场的量子理论推广到巡游电子磁性体系：Phys. Rev. B 59, 1028 (1999)（做此文时为我第一次完全独立工作，当时的艰辛和快乐现在仍历历在目）。1998年春天，中科院物理所磁学专家王鼎盛教授访问仙台，我和王教授合作研究磁学中的一个难题：为什么现有的磁性理论计算能非常准确地给出过渡金属材料的磁矩，在计算磁晶各向异性时却甚至不能给出正确的符号？我们研究发现通常的理论忽略了“轨道关联”这一重要相互作用，只考虑了“自旋关联”项，而前者对磁晶各向异性（特别是低维体系）有着至关重要的影响。我们发展了一套包含“轨道关联”项的紧束缚模型计算方法，并用于计算过渡金属链的磁晶各向异性：Phys. Rev. B 60, 9545 (1999)，结果表明加不加“轨道关联”对结果有定性的改变。几年后王教授和南京大学万贤刚博士将此方法成功用于过渡金属团簇。他们的计算表明考虑“轨道关联”是成功解释实验的关键Phys. Rev. B 69, 174414 (2004)（王教授将此文列其学术生涯前10位）。在此特别感激王教授对我在计算方法，科学工作习惯等各方面的培养。2005年我写了一篇短文记录我和王鼎盛教授交往的一些往事，以祝贺王老师65岁生日。同时，我与王建涛（川添教授的博士生）、王教授等合利用“密度泛函理论第一原理计算”研究过渡金属磁性多层膜的“磁构型”：Phys. Rev. B 59, 6974 (1999)，磁性与体积之间的相互关联：Phys. Rev. B 60, 3025 (1999)，“交换相互作用”，“相变温度”等性质：Phys. Rev. B 62, 3354 (2000)（在最后这篇文章中，我们结合第一原理计算和蒙特卡罗计算，不用任何的经验参数而得到的磁性体系的居里相变温度与实验相差小于5%！在此可以看到：结合磁学的两大支柱---巡游电子磁性理论和局域自旋理论，我们可以如此深入地理解物质的磁性性质！）。我们研究小组的这批工作引起了国际上的一些关注。受《Transworld Research Network》邀请，申请人写了题为"Theoretical calculations on transition metal materials: from ab initio to tight-binding results"的综述，于2002年发表在《Recent Research Developments in Physics》第三卷。
	2000.4–2004.8	香港科技大学物理系访问学者。开展电磁波特异介质（Meta-materials）的物性研究，主要合作者为沈平教授，陈子亭教授，温维佳教授等。详细
	2000年春天，我离开日本仙台再次来到香港科技大学物理系做访问学者。最初沈平教授建议我做有关Mott相变的题目，后来因实验无法实现而最终放弃。后来因为一个非常偶然的机会，我开始与沈平教授、陈子亭教授、温维佳博士、Jensen Li等合作，从事电磁波Metamaterial的物性研究。电磁波Metamaterial是从光子晶体中分支出来的，大致来讲，区别在于前者是由金属构成的而且不一定具有周期性结构，而传统的光子晶体是介电物质的周期结构。电磁波Metamaterial具有自然材料所不具备的特殊的光学性质，如负折射、打破衍射极限的超棱镜聚焦、同位相反射、亚波长透射。此领域的主要的推动者是英国物理学家J. B. Pendry，是他首先提出了一种实现负折射的材料结构并且提出超棱镜聚焦的可能性。近年来，由于负折射材料的成功合成，此项研究在国际上相当热。试想：如果真可以打破衍射极限，传统光学中的好些结论都可能要重写！我们研究小组由于有理论、模拟、实验的紧密配合，在四年多来得到了一些国际上领先的结果。在此，我特别感谢沈平教授及陈子亭教授，和他们合作的这四年是我学术上进步最大的时期。现在我所形成的个人的学术风格（Style）及品味（Taste）大多是在那段时间与两位大师级人物密切接触中形成的。我们的研究结果可总结为三大类：（1）具有分形结构的光学材料。想知道“分形”这种数学家提出的结构在实际生活中有什么应用么？我们发现一种具有分形结构的平面光学材料具有多重光子带隙，而且人们可以用另一个波源调制此平面材料的透射系数：Phys. Rev. Lett. 89, 223901 (2002)。更有趣的是，一块很小的样品可以反射波长比样品的尺度大很多的电磁波：Appl. Phys. Lett. 82, 1012 (2003)，我们称此为亚波长效应。这种看似违反直觉的性质其实是由“分形”的独特内部结构决定的。当这种平面材料的背后贴一块相同大小的金属板时，这个三明治结构可以象“磁导体”一样反射电磁波（即反射波与入射波同相位），而非象金属一样反相位反射：Appl. Phys. Lett. 83, 3257 (2003)。我们将计算细节记录在：J. Phys. D: Appl. Phy. 37, 368 (2004)。这些成果在实际中有许多可能的应用——比如给手机做个保护屏以避免人受到电磁波辐射，等等。我们申请了一个国际专利，主要合作者多次受邀做报告。（2）负折射材料性质研究。我们发现了一种产生光子带隙的新机制——即平均折射系数为0。这种光子带隙只能在既有负折射材料又有正折射材料的复合材料中实现，并且性质和通常的BRAGG带隙有很大的不同：Phys. Rev. Lett. 90, 083901 (2003)（此文发表后四年来已被110多次他引！）。我们发现在各向异性的负折射材料中存在一个和通常的BREWSTER角不一样的独特的斜入射零反射现象：Phys. Rev. B 68, 115424 (2003)。我们还研究了负折射材料的表面波与表面阻抗的关系：Appl. Phys. Lett. 84, 1444 (2004)。在做这一系列问题时，我们不仅用解析推导，而且用“第一原理”的数值计算方法（具体来讲是“有限插分时域”）对真实系统进行模拟，以提出或设计实际结构为实验验证或应用打下坚实基础。所有这些研究表明，以前我们对常规材料的光学性质的研究并不适用于Metamaterial这种新型光学材料。后者的这些奇异的性质吸引了物理、电子工程、材料的理论和实验工作者的极大兴趣。（3）高透射基理研究。在这个领域中我们发现了两个和以往理论均不相同的高透射的基理。其一，我们都知道介电常数为负的材料是不透光的，这就是为什么良导体可以被作为镜子使用。我们发现若是在此材料的前后各贴一块介电常数为正的材料，此三明治结构在某些合适的条件下可以完全透明。我们在微波频段利用实验和模拟证实了这一现象，文章发表在Phys. Rev. Lett. 94, 243905 (2005)。其二，我们发现在金属平板上刻一些独立的亚波长的缝隙结构可以允许电磁波在某些频率完全透射，而且透射频率不依赖于金属板的厚度。文章发表在Phys. Rev. B 72, 153406 (2005)。此外，2004年我回到复旦以后，继续从事电磁Metamaterial的理论研究。与同济大学物理系李宏强教授合作，我们近期发现了两个不同的产生定向电磁波发射的机理：一个是利用Metamaterial制作亚波长谐振腔，一个是利用准晶图案构造高阻抗表面。实验和理论配合起来成功证明了这两种机制，分别发表于Appl. Phys. Lett. 86, 101101 (2005)，及Appl. Phys. Lett. 86, 121108 (2005)。我们继续与香港科技大学物理系陈子亭教授合作，系统研究了利用Metamaterial棱镜聚集过程中的时间效应，二维的结果发表在Appl. Phys. Lett. 86, 101104 (2005)，三维的结果发表在Opt. Lett. 30, 1812 (2005)。
	2004.9–至今	通过“复旦大学高层次人才引进计划”加盟复旦大学，任物理系教授，博士生导师。

学术成绩与贡献

在电磁超构材料、光子晶体等领域从事理论实验研究。2010年获"政府特殊津贴"。组织国际会议3次，80余次在国际会议上作邀请报告。2017年入选万人计划“中青年科技创新领军人才”，获2012年中国光学重要成果奖，宝钢优秀教师奖，上海市领军人才，上海优秀学术带头人，上海自然科学牡丹奖，上海市自然科学一等奖，APS杰出审稿人，OSA青年科学家奖等荣誉。在电磁超构材料、光子晶体等领域从事理论实验研究。发表论文140余篇，其中含1篇Nat. Mater.、6篇PRL、1篇PRX、2篇Nano Lett.、1篇Nat. Commun.、2篇Light: Sci. & Appl.等，1部专著(Springer)。论文总引用5800余次，单篇最高引用 640余次。

主要学术贡献：

1．发现利用梯度特异介质表面可实现电磁波传播及表面束缚模式的完美转换。
2．发现了一个新的光子完美透射机理。
3．发现了一个光子带隙新机制——零平均折射率带隙。
4．发现了各向异性电磁特异介质中反常“布鲁斯特角”现象。
5．发现了利用电磁特异介质调控电磁波偏振的新机理。
6．发掘出一类平面分形结构的丰富电磁波特性。
7．发现了一个基于特异介质的电磁波定向辐射的新机理。
8．解决了国际上关于磁流变液的基态的争论。
9．解决了平板超棱镜聚焦过程中的像不稳定的疑惑。
10．建立了研究金属环状共振体的严格理论方法。
11．建立了研究电磁共振结构之间耦合问题的理论方法。

荣誉和奖励


	2020年	荣获2020年《Research》优秀论文
		荣获2020届本科毕业生“我心目中的好老师”
		获教育部“拔尖计划”实施十年荣誉奖项
	2019年	荣获国家自然科学奖二等奖
		获第十六届上海市科技精英提名奖
		获2019年度“钟扬式好老师”称号
		入选2019年度ESI全球高被引学者
		获2019届本科毕业生“我心目中的好老师”
	2018年	入选 OSA fellow
	2017年	入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才
		获上海市自然科学一等奖
		入选 APS Outstanding Referee (2017)
		入选万人计划“中青年科技创新领军人才”
		入选上海市领军人才
	2016年	10月，获第十一届上海市自然科学牡丹奖
		7月，获美国光学学会青年科学家奖
		6月，获复旦大学2016届本科毕业生“我心目中的好老师”提名奖
	2015年	年底，获2015年度复旦大学本科教学贡献奖
		11月，获2015年度宝钢优秀教师奖
		7月，获复旦大学2015届本科毕业生“我心目中的好老师”
	2013年	本科生教学课程《热力学统计物理II》获得上海市级教学成果奖。
		本科生教学课程《电动力学》获得上海市级教学成果奖。
		3月20日，发表在《Nature Materials》上的工作获得"中国光学重要成果奖"。
	2012年	9月，当选2012年度"上海市优秀学术带头人"。
		6月，获复旦大学2012届本科毕业生"我心目中的好老师"提名奖。
	2011年	9月，上海市教育系统2011年“校园新星”评选活动“科研新星”称号
		7月2日，复旦大学2011届本科毕业生“我心目中的好老师”
		3月2日，获颁“国务院特殊津贴”。
		2月，2010–2011年度复旦大学研究生“我心目中的好导师”称号
	2010年	7月，复旦大学2010届本科毕业生“我心目中的好老师”提名奖
		6月，“复旦大学教学成果奖”一等奖
	2009年	12月，“上海市教学成果奖”二等奖
		年度“复旦大学吴英蕃奖教金”
	2008年	9月10日，复旦大学研究生院“年度优秀研究生导师”
		5月，上海市科教党委系统十佳青年科技创新人才称号
		年度“复旦大学复华奖教金优秀研究生导师奖”
		1月，2007年度（首届）复旦物理系系主任奖
	2006年	12月21日，获得“霍英东青年教师基金”。
		年度“复旦大学复华物理学科奖教金”二等奖
		5月，入选第五届复旦大学“世纪之星科研培养计划”。

组织会议和研讨会

6. co-chair, Symposium "Plasmonics and Metamaterials", The 7th International Multidiscipline Conference on Optofludics (OPTOFLUIDICS 2017), Jul. 25-28, 2017, Singapore.
5. General co-chair, The second A3 Metamaterials Forum, June 25-28, 2017, Shanghai, China.
4. co-chair, The 6th International Multidiscipline Conference on Optofludics (OPTOFLUIDICS 2016), Special topic session "Metamaterials, Plasmonics and Metasurface", Jul. 24-27, 2016, Beijing, China.
3. General co-chair, The first A3 Metamaterials Forum, Jul. 5-7, 2016, Sendai, Japan.
2. General co-chair, Fifth (OSA) International Conference on Nanophotonics, May 22–26, 2011, Shanghai, China.
1. General co-chair, International Workshop On Metamaterials and Plasmonics, Nov. 13–15, 2008, Shanghai, China.

担任委员会

39. Technical Program Committee member, The 6th International Topical Meeting on Nanophotonics and Metamaterials, Jan. 4-7 2017, Seefeld ski resort, Tirol, Austria.
38. Technical Program Committee member, The SPIE/COS Photonics Asia 2016 conference on Plasmonics, Oct. 12-14, 2016, Beijing, China.
37. Technical Program Committee member, The 10th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics: Metamaterials 2015, Sep. 17-22, 2016, Crete, Greece.
36. Technical Program Committee member, 2016 IEEE 5th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP 2016), Jul. 26 - 29, 2016, Kaoshiung, Taiwan.
35. Technical Program Committee member, The 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META 16), Jul. 25-28, 2016, Torremolinos (Malaga), Spain.
34. Technical Program Committee member, QELS – Fundamental Science 03: Metamaterials and Complex Media Subcommittee (CLEO 2016), Jun. 5-10, 2016, San Jose, California, USA.
33. Member of the International Advisory Boards, The 5th International Conference on Smart and Multifunctional Materials, Jun. 5-9, 2016, Perugia, Italy.
32. Technical Program Committee member, The 9th International Conference on Nanophotonics (ICNP2016), Mar. 21 - 25, 2016, Taipei, Taiwan.
31. Technical Program Committee member, The 9th International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics: Metamaterials 2015, Sep. 7-12, 2015, Oxford, UK.
30. Technical Program Committee member, The 2015 OSA conference on Nonlinear Optics (NLO), Jul., 2015, Kauai Hawaii, USA.
29. Technical Program Committee member, The 2015 IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP), Jun. 30-Jul. 3, 2015, Bali Island, Indonesia.
28. Technical Program Committee member, FS 3: Metamaterials and Complex Media Subcommittee for the CLEO: 2015 Conference, May. 10-15, 2015, San Jose, CA, USA.
27. Technical Program Committee member, The 3rd International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, Mar. 12-14, 2015, Berlin Germany.
26. Technical Program Committee member, The 5th International Topical meeting on Nanophotonics and Metamaterials, Jan. 5–8, 2015, Seefeld, Tirol, Austria.
25. Technical Program Committee member, SPIE Photonics Asia 2014 - Plasmonics, Oct. 8-11 2014, Beijing, China.
24. Technical Program Committee member, QELS 3: Metamaterials and Complex Media Subcommittee for the CLEO: 2014 Conference, June 8-13, 2014, San Jose, CA, USA.
23. Technical Program Committee member, the 5th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, May 20-23, 2014, Singapore.
22. Program committee member, International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology, Janurary 7-9, 2014, Lisbon, Portugal.
21. Program committee member, 2013 CLEO:QELS – Fundamental Science, April 28-May 3, 2013, Baltimore, Maryland, USA.
20. Technical program committee member, META'13, Mar 18-22, 2013, Sharjah-Dubai, United Arab Emirates.
19. Technical program committee member, Topical meeting on Nonlinear Optics (NLO 2013), July 21-26, 2013, Fairmont Orchid, Kona, Hawaii, United States.
18. Program committee member, International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology (PHOTOPTICS 2013), Feb 20-21, 2013, Barcelona, Spain.
17. Technical program committee co-chair, 2012 International Workshop on Metamaterials, October 8-10, 2012, Nanjing, China.
16. Member of Scientific Advisory Board (SAB), 10th International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS-X), June 3-8, 2012, Santa Fe, New Mexico, USA.
15. Technical programme committee member, 7th International Conference on Nanophotonics (ICNP2013), May 20 - 23, 2013, Hong Kong, China.
14. Local organizing committee members, 13th International Conference on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructure, June 19–23, 2012, Hangzhou, China.
13. Special session organizer, "Advances in Metamaterials and Plasmonics", 3rd International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, April 19–22, 2012, Paris, France.
12. Program committee member, The Fifth International Congress on Advanced Eletromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS’2012), September 17–22, 2012, St. Petersburg, Russia.
11. Special session organizer, "Metamaterials for achieving extraordinary properties and performances", PIERS2011 Suzhou, September 12–16, 2011, Suzhou, China.
10. International advisory committee member, Conference and Study Program on "Metamaterials, plasmonics and transformation optics" at HKUST, October–November, 2012, Hong Kong, China.
9. International advisory board member, Focused Session A-12 "Progress in Metamaterials Research", 4th International Conference on "Smart Materials, Structures and Systems", June 10–15, 2012, Montecatini, Terme, Italy.
8. Program committee member, 2011 CLEO:QELS – Fundamental Science, May 1–6, 2011, Baltimore, Maryland, USA.
7. Program committee member, 3rd International Topic Meeting on Nanophotonics and Metamaterials (NANOMETA 2011), January 3–6, 2011, Seefeld, Triol, Austria.
6. Local organization committee member, The 11th Asian-Pacific Physics Conference, November 14–18, 2010, Shanghai, China.
5. Program committee member, The Fourth International Congress on Advanced Eletromagnetic Materials in Microwaves and Optics (METAMATERIALS’2010), September 17–20, 2010, Kalsruhe, Germany.
4. Program committee member, International Conference on Coherence and Nonlinear Optics, August 23–27, 2010, Kazan, Russia.
3. Local organization committee member, Inter-Continental Advanced Materials for Photonics Summer School, June 28–July 19, 2009, Shanghai/Hangzhou/Qingdao/Beijing, China.
2. Program committee member, 2008 International Workshop on Metamaterials, November 9–12, 2008, Nanjing, China.
1. Proceeding committee member, Third Conference of the Asian Consortium for Computational Materials Science, September 8–11, 2005, Beijing, China.

授课

电磁学，2005年春季，2007年春季；
热力学与统计物理Ⅱ，2006年秋季；
电动力学（复旦大学精品课程-校外访问），2008 年春季，2009年春季，2009年秋季，2010年秋季，2011年秋季。