复旦大学研究团队开发新型具有隐身特性的超材料
来源：滚动播报（来源：中国航空报）
双零散射热超构器件的设计与实验验证。（A–B）示意图对比，展示了内部畸变的消除。（C）用于生成所需各向异性微结构的深度学习架构。（D–E）实验结果展示了完美的直线等温线，证实了内外散射的同时抑制。 超材料是经过精心设计的材料，具有理想的特性，可用于以特殊的方式操控电磁波、声波或其他类型的波。一些材料科学家和工程师一直致力于利用这些材料开发“隐身器件”，或者换句话说，就是不会干扰周围环境或被附近其他技术察觉的器件。 目前大多数实现隐身器件的方法都涉及用超材料外壳包裹器件，以防止散射。虽然采用这些策略制造的器件不会干扰周围环境，但它们仍然会扭曲超材料外壳内部发生的情况，因此仍然部分可见。 复旦大学的研究人员提出了一种利用超材料实现真正完全隐身器件的新方法。他们提出的解决方案发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，该方案能够消除超材料隐身外壳内外的散射效应。 相关研究论文的资深作者、复旦大学教授黄继平表示：“这项工作的灵感源于超材料设计中长期存在的难题，在许多情况下，超材料可以用来消除周围环境中的干扰，但这往往会在超材料内部产生新的干扰。换句话说，一个问题解决了，却又带来了另一个问题。隐身斗篷就是一个很好的例子。它可以使物体对外部观察者隐身，但斗篷本身的物理场仍然可能发生显著扭曲。”设计一种真正“透明”的器件 黄继平及其同事最近研究的主要目标是开发一种既不干扰外部环境，又不干扰用于将其与周围环境隔离的超材料外壳的器件。此前提出的隐身策略通常会使器件外部的温度分布看起来正常，但却会扭曲超材料外壳内部的温度。 “我们分两步解决了这个问题。首先，我们采用传统的设计来消除周围区域的干扰。然后，我们引入了一种额外的坐标变换来校正壳层内部的温度分布，使那里的温度线也变得规则且不受干扰。”黄继平解释说。 为了在实验中实现他们的想法，研究人员首先需要设计具有特殊各向异性热特性的超材料，这意味着热量在其内部以特定的方式流动。为了设计能够产生所需特性的微观结构，他们使用了被称为深度学习算法的先进计算工具。 黄继平补充说：“在制造出样品后，我们在温度梯度下对其进行了测试，并使用红外相机观察了温度分布。实验证实，器件外部和壳层内部的温度都保持不变。” 研究人员提出的设计被发现可以通过一种被称为双零散射的机制实现真正的隐身。正是这种机制最终消除了超材料隐身壳内外的散射。一项前景广阔的演示和未来可能的应用 黄继平研究团队首次发现了超材料隐身器件中的双零散射现象。他们设计的超材料壳层被发现能够有效地消除散射。无论在器件内部还是外部，都能形成一个热流完全不受干扰的系统。 黄继平表示，该研究首次实现了双零散射，这意味着在扩散系统中实现了真正的透明——该器件既不会干扰周围环境，也不会干扰自身的外壳。 从实际应用角度来看，这有助于制造热透明传感器——这种传感器可以在不干扰周围温度场的情况下测量温度。这一点至关重要，因为普通传感器往往会改变它们试图检测的温度。 该团队的隐身技术有望很快被用于制造各种隐身器件，包括非侵入式热传感器、能够将热量限制在特定区域的系统、高精度热测量工具以及灵敏的超导量子技术。 隐身器件在那些即使是最小的干扰也可能产生不良影响的场景中尤为有利，例如，在人体内部采集数据或最大限度地减少量子计算误差时。 黄继平表示，研究团队现在计划将这一概念应用于热以外的领域。控制热扩散的数学规律与其他物理系统非常相似。他们希望应用这种双零散射框架来控制声波、光和机械振动。同时他们还在探索如何将这项技术与更先进的人工智能相结合，以创造出能够自动适应不断变化的环境的“智能斗篷”。（逸文）
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