撰稿 | 屈思超（香港科技大學(xué)，博士生）

說明 | 本文來自課題組投稿

電磁波不僅僅是信息的傳遞者，也是能量的攜帶者。在這個(gè)通信技術(shù)高度發(fā)達(dá)的時(shí)代，人類所處的環(huán)境里，電磁能量正在不斷升高。這一方面是因?yàn)榛镜呐d建增加，另一方面，追求更高的頻段，更大的信息容量也是一個(gè)主要的因素（例如：5G通信技術(shù)）。

有研究表明，長(zhǎng)時(shí)間暴露在高能量密度的微波里可能會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的損傷，因此，解決微波吸收問題具有越來越重要的意義。此外，微波吸收在電磁屏蔽、抗電磁干擾、雷達(dá)隱身也具有至關(guān)重要的價(jià)值。

然而，由于微波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能輕易穿透或繞過固體材料（否則，我們很難在室內(nèi)接收到手機(jī)信號(hào)）——如何實(shí)現(xiàn)高吸收、寬頻段的吸收也一直是研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)。

圖源（圖1）：Light新媒體

當(dāng)然，如果采用很厚的尖劈狀的吸波海綿，是可以輕而易舉實(shí)現(xiàn)寬頻和高吸收的目標(biāo)——這正是微波暗室的墻體覆蓋的材料。但是，其不可忽視的巨大厚度使得在很多場(chǎng)景的應(yīng)用變得不切實(shí)際。

因此，設(shè)計(jì)一種厚度薄、同時(shí)兼?zhèn)湫阅芗训奈ú牧暇褪潜竟ぷ髦鉀Q的問題。由于材料的響應(yīng)總是滯后于入射波（即“因”導(dǎo)致“果”），已有大量理論研究表明，材料的吸收性能受到“因果律極限”的限制——物理基本規(guī)律允許的最小厚度和所需的吸收性能是對(duì)應(yīng)的。

香港科技大學(xué)的沈平院士課題組致力于研發(fā)性能接近于“因果律極限”的超材料吸收器。在聲學(xué)系統(tǒng)里，課題組通過設(shè)計(jì)最優(yōu)的Fabry-Parot共振態(tài)分布，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了寬頻的阻抗匹配和并且逼近性能極限，見Materials Horizons 4.4 (2017): 673-680，相關(guān)成果已經(jīng)投入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用（詳情見靜音科技公司（網(wǎng)址鏈接>>>）。

而對(duì)于電磁波系統(tǒng)，由于其橫波特性的特殊性，無法直接獨(dú)立地操縱不同的共振態(tài)，因此對(duì)設(shè)計(jì)造成了新的困難；此前還未有電磁波系統(tǒng)里的實(shí)驗(yàn)報(bào)道實(shí)現(xiàn)這一性能極限。

近日，沈平院士課題組以 Conceptual-based design of an ultra-broadband microwave metamaterial absorber 為題在 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)  刊登了微波吸收領(lǐng)域的最新研究成果。研究人員其從理論設(shè)計(jì)角度解釋了電磁波超材料與聲學(xué)系統(tǒng)不同的吸收機(jī)制，并且同樣通過實(shí)驗(yàn)證明了其吸收性能接近理論允許的極限。

圖源（圖2）：PNAS

研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，盡管金屬環(huán)結(jié)構(gòu)（見圖3a）早已經(jīng)在電磁超材料領(lǐng)域被廣泛研究，但作為吸收器的潛力沒有完全被充分探縮利用。當(dāng)其按周期性陣列排列的時(shí)候，在平面波的激發(fā)下，相鄰的環(huán)會(huì)耦合產(chǎn)生電偶極子模式的響應(yīng)。通過在環(huán)上引入可以調(diào)節(jié)的電阻，而后發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的電阻為440歐姆（接近真空阻抗），原本高度頻率依賴的“共振峰”相互融合，通過耗散這一額外的自由度，實(shí)現(xiàn)寬頻的阻抗匹配（見圖3b）。這一過程被稱之為“色散工程”，即通過改變系統(tǒng)的幾何、耗散等來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的材料屬性。

圖3：（a）安裝有電阻的金屬環(huán)結(jié)構(gòu)；（b）寬頻的阻抗匹配。（圖源：課題組提供）

更進(jìn)一步地，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過堆疊兩層自相似的金屬環(huán)結(jié)構(gòu)陣列（見圖4），可以極大程度地拓寬吸收譜頻段。

圖4：實(shí)驗(yàn)樣品示意。（圖源：課題組提供）

即是，將大金屬環(huán)和小金屬環(huán)分別對(duì)應(yīng)的吸收頻段（圖5a和圖5b），將拼接形成超寬頻行為的吸收譜（圖5c，藍(lán)色曲線）。為了消除高頻衍射帶來的影響，研究組將超材料和傳統(tǒng)吸波海綿結(jié)合，最后整合的吸收器平均的反射損失在-19.4dB（圖5c，橙色曲線），即吸收率接近99%。并且，作為對(duì)比，相同厚度的吸波海綿也被測(cè)量作為對(duì)照組（圖5c，綠色曲線）——結(jié)果顯示，超材料吸收器在低頻表現(xiàn)更優(yōu)越，并且整體吸收性能接近理論極限（實(shí)際厚度14.2mm，極限厚度13.5mm）。

圖5：實(shí)驗(yàn)測(cè)量的反射損失性能（a）大金屬環(huán)結(jié)構(gòu)；（b）小金屬環(huán)結(jié)構(gòu)；（c）最終的整合結(jié)構(gòu)。曲線代表模擬結(jié)果，離散點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（圖源：課題組提供）

總結(jié)來說，本工作有以下亮點(diǎn)：

1. 首次實(shí)驗(yàn)測(cè)量吸收性能接近理論所允許的極限。

2. 發(fā)現(xiàn)一類此前未被充分探索的基本的共振吸收單元——帶電阻的金屬環(huán)。將作為“基石”為發(fā)展和設(shè)計(jì)更多樣的電磁波器件提供新的思路。

3. 提供一種有效拓寬吸收頻段的堆疊策略，利用自相似結(jié)構(gòu)提供更多樣的模態(tài)，并且整合這些模態(tài)構(gòu)造器件的寬頻行為。

論文信息：

香港科技大學(xué)是本論文的唯一單位，論文的第一作者包含博士生屈思超、侯雨簫；沈平教授為論文的通訊作者。本研究工作得到了香港特別行政區(qū)大學(xué)資助委員會(huì)Research Impact Fund (RIF)的資助。論文的投稿類型是direct submission，并且已取得open access。

論文地址：

https://www.pnas.org/content/118/36/e2110490118

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監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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