中国科学院院士
崔铁军
电磁超材料是由亚波长单元周期或非周期地排列而组成的人工电磁结构, 可通过设计结构单元及其排布自由地控制电磁波, 是信息领域的研究热点之一. 《中国科学：信息科学》2020年第10期发表了崔铁军院士的评述“电磁超材料——从等效媒质到现场可编程系统”.
文章详细介绍了东南大学毫米波国家重点实验室从事电磁超材料研究的历史和最新进展.
第1阶段发展了等效媒质超材料, 提出了超材料结构的等效媒质一般性理论, 实验验证了宽带地面隐身衣、电磁黑洞、电磁幻觉及各向异性零折射率等奇特物理现象及功能器件, 并在超材料变换光学透镜、平板透镜天线, 以及宽带电磁隐身表面等方面获得了应用.
图. 等效媒质超材料及其新物理现象实验验证. (a)和(b)宽带和低损耗的二维地面隐身衣[34]; (c)∼(e)二维地面隐身衣隐身效果的实验验证[34]@Copyright 2009 The American Association for the Advancement of Science; (f)宽带和低损耗的三维地面隐身衣[37]@Copyright 2010 Springer Nature; (g)由电阻网络构成的直流电隐身衣[39]@Copyright 2012 American Physical Society; (h)和(i)电磁黑洞试验样品及其对电磁波的吸收过程 [42] @Copyright 2010 IOP Publishing and Deutsche Physikalische Gesellschaft
第2阶段开拓了基于人工表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)传输线的微波领域新方向, 提出一种超薄、低损耗、条带式的SPP传输线, 能在共形曲面上传输无畸变的SPP波; 基于此, 研制了一系列微波SPP无源器件、SPP放大器和倍频器, 以及SPP天线, 构建了首个全SPP无线通信射频收发系统, 在间距为深亚波长的两个通道上实现了两个独立视频无干扰的超视距传输.
图. 超薄开槽金属条带微波SPP传输线及其色散特性和传输特性[77]. (a)不同厚度开槽金属条带的色散特性; (b) 不同槽深的四条超薄、柔性微波SPP传输线照片; (c)∼(e)超薄柔性微波SPP传输线发生弯折时的近场特性及传输模式测量结果; (f)∼(h)微波SPP功分器照片及其近场的仿真与测试结果比较.
第3阶段创建了信息超材料新体系, 提出用数字编码表征超材料的新思想, 通过控制不同的数字编码序列实时地调控电磁波, 实现了超材料的现场可编程功能; 提出在信息超材料的物理平台上进行信息熵操作及相关的数字卷积定理和加法定理, 在物理空间上构筑起数字空间, 实现了对电磁波和数字信息的同时调控; 基于此研制了新架构的微波成像系统、无线通信系统和智能感知系统.
图. 数字编码超材料单元结构及其对电磁波的调控. (a)数字编码超材料、单元结构及现场可编程超材料[112]; (b)数字编码超材料单元结构在二极管开和关的状态下相位响应曲线[112]; (c)不同编码情况下数字编码超材料对电磁波的调控[112]@Copyright 2014 Springer Nature; (d)由闵科夫斯基分形结构所实现的太赫兹数字编码超材料[114]@Copyright 2015 Springer Nature; (e)各向异性数字编码超材料基本单元及其对不同极化入射波的调控[115]@Copyright 2016 Springer Nature
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电磁超材料——从等效媒质到现场可编程系统
崔铁军
中国科学: 信息科学, 2020, 50(10): 1427-1461