科普 | 可控超材料学术资讯

一、什么是可控超材料？

超材料指具有天然材料所不具备的超常物理性质（如负折射、反多普勒效应、负泊松比等）的人工复合材料或结构，其性质主要由人工设计的内部结构特征决定，即可以通过结构单元的设计和排列方式，突破某些表观自然规律的限制。这一概念最早是针对电磁波提出的，指具有负折射性质的人工电磁复合结构。

为了能够随时动态地调控其性能，研究者提出了可控超材料（也称可调超材料）的概念。可控超材料通过施加外部信号（如电、磁、声、光、热、力等）改变超材料的性质，实现其功能的动态调控。可控超材料在通信、医学检测、航空航天、国防工程等领域展现了广阔的应用前景，并且为声波和电磁波的宽频调控提供了可行的手段，是近几年超材料领域最活跃的研究课题。

二、最新研究进展

近十年各国均投入很大的力量开发各类可控电磁超材料。其从调控机理上分有机械可重构超材料、基于活性媒质的混合结构超材料、集总元件加载可控超材料等三类。

（1）机械可重构超材料是最早提出的一类可控超材料，属于结构调节式，即通过改变超材料的几何结构，包括共振单元的形状、大小、排布方式等实现材料调控。

（2）基于活性媒质的混合结构可控超材料是近几年受到关注最多的可控超材料，属于基体调节式，即将材料与半导体、液晶、相变化材料等具有可调光学性质的活性媒质相结合形成混合结构，通过改变其电磁性质实现超材料特性的动态调控。

（3）集总元件加载可控超材料属于加载调节式可控超材料。在超材料等效电路中引入控制开关，或将集总元件设计成可调节式，通过开关通断或集总元件实时值的调节，实现动态控制。

可控声学超材料的调控机理也分为机械可重构超材料、基于多场耦合媒质的可控超材料、集总元件加载可控超材料等，调控方式有电调控、磁调控、热调控、光调控、机械调控等。

（1）机械可重构超材料通过改变单元结构的几何和排布方式实现对波动特性的调节。

（2）基于多场耦合媒质的可控超材料利用具有多物理场耦合性能的材料（如压电材料、压磁材料、磁电弹材料、电流变液、磁性流体、光致变形材料等），通过外加偏场（电、磁、光等）的方式实现对声学超材料的动态调控。

（3）集总元件加载可控超材料。在集总元件中加入开关器件，通过控制开关通断，可动态改变单元的共振特性，实现波动实时调控。

三、应用前瞻

可控电磁超材料在信息存储、电磁器件设计、光束控制、波前调控、全光信号处理等领域具有广阔的应用前景，如用于设计可重构天线、可控调制器、可控滤波器、可调偏振器、可调平面透镜、可控完美吸收器、可调光隔离器、可调多色谱探测器、可调非线性自适应光学元件等，同时在透波率可控智能蒙皮、可调隐身衣等方面也具有潜在的应用。基于超材料的器件不仅可突破传统器件的限制，而且具有超薄、质轻、体积小的特点，便于小型化和集成化。

可控声学超材料在声波和弹性波的控制、声学器件设计、隔振降噪、隐身等方面展现出广阔的应用前景，如用于设计可控滤波器、分离器、耦合器、旋声器、声吸收器、可调声二极管、可调声学透镜、可控隔震隔音装置及声隐身装置等。