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超材料

  超材料 (Metamaterials) 是指由人工结构功能单元按照特定的空间排布构成的、具有超常宏观物理特性的人工复合材料或复合结构. 超材料是先进功能材料的创新研究范式, 将传统均质材料的半经验式研究手段发展为精确可设计的材料研究范式. 超材料不仅是一种材料新形态, 更是一种材料设计新理念, 即: 类比自然材料电磁、力、热、声等响应的微观机制和自然材料基本构成粒子的空间点阵排布方式, 构造与自然材料原子、分子等类比的人工微结构单元, 通过结构单元的周期性、准周期性或特殊点阵排布构造人工复合材料, 实现自然材料无法实现或很难实现的特殊物理特性. 由于超常的电磁、声、热、力等功能, 超材料在隐身伪装、电子对抗、导航通讯、预警制导、成像识别等领域具有巨大的应用潜力.
  超材料研究在国内非常活跃, 总体呈现出百花齐放的局面, 所涵盖领域包括电磁超材料、红外/THz超材料、光学超材料、声学超材料、力学超材料、光学超材料、热学超材料等领域. 2019 年 11 月, 中国材料研究学会超材料分会、中国物理学会电介质物理专业委员会和中国电子学会元件分会联合主办了“第一届全国超材料大会”, 1500 多名国内超材料领域的专家学者和科研工作者参加了大会. 大会推动了我国超材料理论研究、设计与制备研究、器件应用研究, 增进了超材料学术界和工业界之间的学术交流、技术交流与应用推广, 促进了我国超材料研究的知识创新、技术创新以及应用发展.
  本专题收录了本届超材料大会的部分优秀论文, 论文涉及到电磁超材料、力学超材料、声波超材料和光学超材料. 希望专题的出版能进一步增进交流, 促进该领域的发展.
客座编辑:空军工程大学隐身新材料与新技术研究中心 王甲富
物理学报.2020, 69(13).
基于微孔板与折曲通道的亚波长宽带吸声结构设计
吴飞, 黄威, 陈文渊, 肖勇, 郁殿龙, 温激鸿
2020, 69 (13): 134303. doi: 10.7498/aps.69.20200368
摘要 +
本文设计了一种由微穿孔板与折曲通道组成的亚波长宽带复合吸声结构, 对该复合吸声器低频宽带吸声机理进行了详细分析, 建立了该复合吸声结构的理论吸声解析模型与有限元数值分析模型, 完成了吸声理论解和数值解的相互验证. 该吸声结构在整体厚度为60 mm时, 理论上实现了在200—500 Hz频段内平均吸声系数达0.8的低频高效吸声. 同时在整体厚度为90 mm时, 理论上实现了180—350 Hz频段内多处峰值达0.95的准完美吸声. 该复合吸声结构在低频噪声控制工程中具有一定的应用前景.
各向异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数
蔡成欣, 陈韶赓, 王学梅, 梁俊燕, 王兆宏
2020, 69 (13): 134302. doi: 10.7498/aps.69.20200364
摘要 +
五模超材料是一类可以解除剪切模量的人工固体微结构, 具有类似流体的性质, 在声波调控中有着潜在的应用. 声学变换作为声波调控的一种重要手段, 在超材料声学器件的设计中被广泛使用. 声学变换的引入会压缩均匀各项同性五模超材料. 因此, 需要研究各向异性对三维非对称双锥五模超材料带隙及品质因数的影响. 本文利用有限元方法, 对各项异性三维非对称双锥五模超材料的能带结构及品质因数进行了研究. 研究结果表明, 三维非对称双锥五模超材料单模区域的相对带宽随着各向异性的增大而减小, 第一带隙的相对带宽增大到123%, 品质因数增大到6.9倍. 本研究可为声学变换在三维非对称双锥五模超材料中的应用提供指导.
开口狭缝调制的耦合微腔中表面等离激元诱导透明特性
褚培新, 张玉斌, 陈俊学
2020, 69 (13): 134205. doi: 10.7498/aps.69.20200369
摘要 +
耦合的波导-微腔结构在光滤波器、光调制器中有着广泛的应用. 结构的光传输性质主要由模式的耦合强度来决定, 而耦合强度通常通过控制结构间的几何间距来实现. 由于电磁波在金属中急剧衰减, 这为控制金属微腔中模式的耦合带来了巨大的挑战. 本文利用金属微腔中法布里-珀罗模式的共振特性, 在微腔中引入开口狭缝, 通过调节狭缝的缝宽以及偏移位置, 来控制模式的泄漏率以及耦合强度, 实现了可调控的表面等离激元诱导透明效应. 当狭缝的开口宽度或者偏移量增加时, 结构透射谱的透射峰值和半高全宽也会相应地增加. 狭缝的几何参数变化会对结构共振特性产生调制, 文中通过时域耦合模理论对相应的物理机进行了解释. 本文的结果为实现利于加工的紧凑表面等离激元器件提供了思路.
基于场变换理论的大角度涡旋电磁波生成方法
冯加林, 施宏宇, 王远, 张安学, 徐卓
2020, 69 (13): 135201. doi: 10.7498/aps.69.20200365
摘要 +
场变换是一种与入射角度无关的新型电磁变换方法, 可对电磁波极化和阻抗进行调控. 本文提出了一种基于场变换理论的大角度入射涡旋电磁波产生方法. 基于该方法设计了一种用于涡旋电磁波生成的人工媒质, 并通过对其仿真验证了所提出的方法. 设计的人工媒质为多层环形结构, 可以透射生成2阶涡旋电磁波, 并且具有较好的入射角度稳定性, 在60°斜入射时仍能产生涡旋电磁波.