基于自然界常规材料的直流电流任意控制:隐身和汇聚

AM实现对光、电、声、热等物理场的自由控制,是人们一直以来不断追求的终极目标。人工复合材料为此提供了丰富的材料基础,变换光学理论为此提供了有效的理论指导,从而人们可以自由设计各种各样功能新颖的物理器件,其中最著名的就是隐身衣。隐身衣的出现昭示了人类的终极梦想,实现了对光的自由控制。在此之前,隐身衣只是出现在科幻电影当中,人们无法想象它会进入我们的现实生活。到目前为止,隐身衣在电磁、光学、声学、热学等领域都得到了实验验证。然而,基于变换光学设计的隐身衣,通常都具有非均匀的、各向异性的材料参数,无法从实验上严格实现,必须做简化处理后才能从实验上近似实现,这必然使性能大打折扣。即便如此,近似后的模型实现起来仍然很复杂,需要借助人工复合材料、超颖介质、微纳加工等技术,且受到尺寸、损耗和带宽的限制。这些因素导致隐身衣的研究离实际应用还有很长的路要走。

新加坡国立大学仇成伟教授和其课题组成员韩天成博士(现在工作于西南大学物理科学与技术学院)等人,提出了一种基于自然界常规材料对直流电流进行任意控制的方法,并对直流隐身和直流聚焦现象进行了实验验证。与以往基于变换光学理论的设计方法不同,该方法具有显著优点:(1)直接从导电方程出发未采取任何近似,是一种严格的方法,因此具有几乎完美的性能表现;(2)材料和结构都非常简单,仅利用两层常规材料实现了直流隐身,通过两种常规材料沿角向的交替排列实现了直流聚焦;(3)提出了一个基于直流隐身感应器(cloaking sensor)理论模型,可退化到多种不同直流操控的器件,譬如直流汇聚。