电磁超材料：从新物理现象到新信息系统外文翻译资料

电磁超材料：从新物理现象到新信息系统

作者： 崔铁军 , 吴瑞元

国籍： 中国

出处： Front Inform Technol Electron Eng 2020 21(1):4-26

中文译文：

摘要

超材料和超表面因其强大的电磁波控制能力而备受关注。本文从电磁超材料的新物理特性到其在新型信息系统中的应用，综述了电磁超材料领域的最新进展。首先，基于等效介质理论和相关应用，我们展示了对传统超材料的基本理解，如隐形斗篷和超透镜。其次，我们回顾了超材料的二维版本，即超表面，用于控制空间波和表面波，然后介绍了它们的典型设计。特别地，我们简要地介绍了表面等离子体激元及其在微波频段中的应用。按照上述方法，我们着重介绍了数字编码超材料、可编程超材料和信息超材料的概念。通过将信息科学的原理扩展到超材料设计中，提出了几种能同时进行数字和电磁波操作的功能器件和信息系统。最后，对微波超材料的发展前景进行了简要的总结。

关键词：超材料；有效介质理论；超表面；表面等离子体激元；数字编码；可编程；信息

1、介绍

从古至今，控制电磁波一直是人类不断追求的目标，因为它能给人类生活带来更多便利。无论是用凸透镜点火还是用潜望镜探测，费马原理和斯奈尔定律都表明了人类使用电磁波的主观可能性，但更复杂的应用受到了客观条件（如介电常数）的限制εgt;1、磁导率mu;gt;1、在几乎所有的天然材料中。在20世纪后半叶，Veselago（1967）提出了一个大胆的假设：如果一种材料的电磁特性（即所对应的ε、mu;）都是负的，那么它的电磁特性将明显不同于传统材料，甚至完全相反。当电磁波在这种材料中传播时，波矢量k、电场矢量E和磁场矢量H都遵循“左手定律”，因此，这种材料也被称为“左手材料”，并被预测具有一些独特的性质，如负折射、逆多普勒效应、反向切伦科夫辐射（Veselago，1967）。然而，由于缺乏实际的设计方法，这一概念直到近30年后才引起广泛关注。20世纪末，John Pendry和他的研究小组（Pendry等人，1996年、1999年；Pendry，2000）提出了基于等效介质理论构建左手超材料的有效方法，并通过人工结构（如开口谐振环（SRR）和金属线）进行了实验验证（Smithet al.，2000；Shelby等人，2001年）。超材料展示了许多新奇的物理现象，并实现了各种应用，包括隐形斗篷、超透镜和超分辨率成像（Smith等人，2004；Engheta和Ziolkowski，2006年；崔等，2010；Zheludev和Kivshar，2012年）。

然而，由于超材料的体积庞大，很难将其集成到系统中。Sievenpiper等人（1999）提出了一种蘑菇状人工带隙结构，该结构具有高阻抗来控制电磁波。这可以被视为超表面的原型，也可以被视为超材料的二维（2D）版本（Holloway et al.，2012）。随后，Capasso的研究小组提出了基于相位或振幅不连续性的广义Snell定律，以调整电磁反射和折射（Yu-NF et al.，2012）。他们解释说，超表面的工作原理是使用适当的超粒子来构造相位或振幅剖面，而不是空间中的相位积累。因此，超表面具有低质量、小体积、易整合等特点。由于这些优势，它们最近引起了广泛关注（Chen HT等人，2016；Zhang等，2016；Ding等人，2017）。

另外一种特殊类型的超材料与人工表面等离子体激元（SPPs），激发于光学频段中。光学spp具有许多重要的特性，如场增强和波长压缩。然而，由于损耗巨大，SPP波很难在光频率下传输。在超材料的帮助下，可以在微波段和太赫兹区域激发SPP效应。Pendry et al.（2004）首先提出了一种三维（3D）人工结构，通过在金属块上钻一系列亚波长孔来创造类似SPP的性能；其他3D结构，如硅棱镜也被发现可用于激发SPP（Pendry等人，2004；奥哈拉等人，2005年）。然后将这些结构增强为具有共形特性的二维超薄结构，以灵活引导SPP波（Shen XP et al.，2013）。由于其独特的特性，SPP可被视为新型电磁传输线，并可广泛应用于微波器件和系统（Gao Z et al.，2018；Tang等人，2019年）。

上述超材料或超表面可归类为“模拟超材料”，因为无论有效折射指数或相位和振幅如何，都可以对电磁系数进行连续操作。Giovampaola ， Engheta（2014）和崔 et al.（2014）顺应信息科学的发展趋势，提出了数字超材料的概念。与传统超材料相比，电磁特征通过编码和数字超材料中的几个离散数字状态呈现（Cui et al.，2014）。例如，在1位编码超材料中有两个二进制数字“0”和“1”，相应编码粒子的相位响应分别为0° 和180°, （崔等人，2014年）。实际上，编码粒子之间的相位差，而不是绝对相位，是电磁操纵中的一个重要值。因此，该方案可以很容易地推广到2位和多位情况。由于编码粒子的性质不再依赖于连续有效介质理论或相移，编码和数字超材料的近场或远场辐射依赖于编码序列或编码模式，其中直接涉及数字信息。此外，崔等人（2014）通过在编码粒子上加载有源器件来创建可编程超材料，以实现对电磁信息的实时操作。因此，编码、数字和可编程的超材料在信息科学和物理超材料之间架起了桥梁，它们可以被提升为信息超材料，以完成对电磁波和未来信息系统的更多信息驱动操作（崔等人，2017a；崔，2017，2018；傅、崔，2019年；李LL和崔，2019）。

在接下来的章节中，我们从两个方面回顾了超材料的最新进展，即传统有效介质超材料、超表面和人工表面等离子体激元所表现出的新奇物理特性，以及信息超材料所带来的功能器件和新系统（包括编码、数字电子、和可编程超材料）。

2、模拟超材料

2.1、等效介质超材料

与由分子和原子组成的天然材料不同，超材料实际上是由周期性或准周期性排列的亚波长尺度的超粒子组成。超材料与其它早期的周期性结构如光子带隙结构和频率选择表面的主要区别是粒子尺寸较小，避免了相邻粒子间的相互耦合。Smith等人（2000）利用周期性的导电非磁性SRR阵列和连续导线构建了一种复合介质，并通过实验证明了左手金属材料最显著的特性——同时负介电常数和磁导率的可行性。早期的超材料设计遵循基于洛伦兹-德鲁德模型的等效介质机制。因此，超材料可以用连续的有效介质参数（即有效介电常数ε和有效磁导率mu;）来描述, 而这可从模拟或实验测量的散射参数（S参数）中获得。由于每个粒子的有效电磁系数可以独立和任意控制，因此整个超材料可以表现出一些在自然界无法实现的奇异特性，例如负折射（Padilla et al.，2006），甚至零折射（Moitra et al.，2013）。

2.2、超表面：超材料的二维版本

具有三维结构的超材料的电磁操纵原理是沿传播方向的空间位相累积，因此厚度相对于波长会相对较大。这种工艺在制造和集成方面可能面临一些困难，特别是在太赫兹波段和可见光波段方面。Sievenpiper等人（1999）提出了一种二维电磁带隙结构，它可以看作是二维金属材料的开端，称为超表面。这种具有高阻抗的蘑菇形超表面已广泛应用于天线和其他电磁设备中，以减小尺寸和体积（Sievenpiper等人，1999）。早期，首次提出了广义薄板过渡条件法（Kuester等人，2003）和横向共振法（Collin，1960）来分析亚表面的电磁性能。随后，Capasso的团队提出了超表面的广义斯奈尔定律（Yu-NF等人，2012），为快速发展拉开了序幕。

超材料表面上相邻粒子之间的相位不连续是人为设计的，目的是填充电磁波，而不是像三维超材料那样用于空间积累。例如，当梯度相位不连续性由V形结构实现时，入射波将被弯曲到倾斜的传输方向（Yu-NF et al.，2012）。因此，超曲面具有设计简单、成本低、重量轻、易于集成等一系列优点。

2.3、Spoof SPPs

Spoof SPPs是另一种被广泛研究的超材料，它提供了一种全新的方法来操纵微波域中的电磁波。SPPs能高度局部化电磁波，通常出现在介电常数相反的两种介质的界面上，但只出现在可见光频段上。

然而，在微波段实现SPPs是不可能的，因为金和铜等金属材料在没有负介电常数的情况下表现为良导体。因此，研究人员使用人工超材料结构，如亚波长槽、孔、凹坑的二维周期阵列，或带槽的三维导线，来模拟高局部化和色散特性，作为微波区域的欺骗SPP。Pendry等人（2004）提出了一种专门设计的spoof SPPs来控制色散特性。带有穿孔方孔阵列的完美导体有效地限制了界面上的入射波，在z方向上呈指数衰减，这与天然SPPs的性能相似（Pendry et al.，2004；Garcia Vidal等人，2005年）。然而，这种结构需要承受一些缺点，例如制造、集成和一致性方面的困难。

附：原文外文

Microwave metamaterials: from exotic physics to novel information systems*

Abstract

Metamaterials and metasurfaces have attracted much attention due to their powerful ability to control electromagnetic (EM) waves. In this paper, we review the recent developments in the field of EM metamaterials, starting from their exotic physics to their applications in novel information systems. First, we show the fundamental understanding on traditional metamaterials based on the effective medium theory and related applications, such as invisibility cloaks and meta-lenses. Second, we review the two-dimensional versions of metamaterials, i.e., metasurfaces, for controlling spatial waves and surface waves and thereafter present their typical designs. In particular, we briefly introduce spoof surface plasmon polaritons and their applications in microwave frequencies. Following the above approach, we emphatically present the concepts of digital coding metamaterials, programmable metamaterials, and information metamaterials. By extending the principles of information science to metamaterial designs, several functional devices and information systems are presented, which enable digital and EM-wave manipulations simultaneously. Finally, we give a brief summary of the development prospects for microwave metamaterials.

Key words: Metamaterial; Effective medium theory; Metasurface; Surface plasmon polaritons; Digital coding; Programmable; Information

1.Introduction

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电磁超材料：从新物理现象到新信息系统

作者： 崔铁军 , 吴瑞元

国籍： 中国

出处： Front Inform Technol Electron Eng 2020 21(1):4-26

中文译文：

摘要

超材料和超表面因其强大的电磁波控制能力而备受关注。本文从电磁超材料的新物理特性到其在新型信息系统中的应用，综述了电磁超材料领域的最新进展。首先，基于等效介质理论和相关应用，我们展示了对传统超材料的基本理解，如隐形斗篷和超透镜。其次，我们回顾了超材料的二维版本，即超表面，用于控制空间波和表面波，然后介绍了它们的典型设计。特别地，我们简要地介绍了表面等离子体激元及其在微波频段中的应用。按照上述方法，我们着重介绍了数字编码超材料、可编程超材料和信息超材料的概念。通过将信息科学的原理扩展到超材料设计中，提出了几种能同时进行数字和电磁波操作的功能器件和信息系统。最后，对微波超材料的发展前景进行了简要的总结。

关键词：超材料；有效介质理论；超表面；表面等离子体激元；数字编码；可编程；信息

1、介绍

从古至今，控制电磁波一直是人类不断追求的目标，因为它能给人类生活带来更多便利。无论是用凸透镜点火还是用潜望镜探测，费马原理和斯奈尔定律都表明了人类使用电磁波的主观可能性，但更复杂的应用受到了客观条件（如介电常数）的限制εgt;1、磁导率mu;gt;1、在几乎所有的天然材料中。在20世纪后半叶，Veselago（1967）提出了一个大胆的假设：如果一种材料的电磁特性（即所对应的ε、mu;）都是负的，那么它的电磁特性将明显不同于传统材料，甚至完全相反。当电磁波在这种材料中传播时，波矢量k、电场矢量E和磁场矢量H都遵循“左手定律”，因此，这种材料也被称为“左手材料”，并被预测具有一些独特的性质，如负折射、逆多普勒效应、反向切伦科夫辐射（Veselago，1967）。然而，由于缺乏实际的设计方法，这一概念直到近30年后才引起广泛关注。20世纪末，John Pendry和他的研究小组（Pendry等人，1996年、1999年；Pendry，2000）提出了基于等效介质理论构建左手超材料的有效方法，并通过人工结构（如开口谐振环（SRR）和金属线）进行了实验验证（Smithet al.，2000；Shelby等人，2001年）。超材料展示了许多新奇的物理现象，并实现了各种应用，包括隐形斗篷、超透镜和超分辨率成像（Smith等人，2004；Engheta和Ziolkowski，2006年；崔等，2010；Zheludev和Kivshar，2012年）。

然而，由于超材料的体积庞大，很难将其集成到系统中。Sievenpiper等人（1999）提出了一种蘑菇状人工带隙结构，该结构具有高阻抗来控制电磁波。这可以被视为超表面的原型，也可以被视为超材料的二维（2D）版本（Holloway et al.，2012）。随后，Capasso的研究小组提出了基于相位或振幅不连续性的广义Snell定律，以调整电磁反射和折射（Yu-NF et al.，2012）。他们解释说，超表面的工作原理是使用适当的超粒子来构造相位或振幅剖面，而不是空间中的相位积累。因此，超表面具有低质量、小体积、易整合等特点。由于这些优势，它们最近引起了广泛关注（Chen HT等人，2016；Zhang等，2016；Ding等人，2017）。

另外一种特殊类型的超材料与人工表面等离子体激元（SPPs），激发于光学频段中。光学spp具有许多重要的特性，如场增强和波长压缩。然而，由于损耗巨大，SPP波很难在光频率下传输。在超材料的帮助下，可以在微波段和太赫兹区域激发SPP效应。Pendry et al.（2004）首先提出了一种三维（3D）人工结构，通过在金属块上钻一系列亚波长孔来创造类似SPP的性能；其他3D结构，如硅棱镜也被发现可用于激发SPP（Pendry等人，2004；奥哈拉等人，2005年）。然后将这些结构增强为具有共形特性的二维超薄结构，以灵活引导SPP波（Shen XP et al.，2013）。由于其独特的特性，SPP可被视为新型电磁传输线，并可广泛应用于微波器件和系统（Gao Z et al.，2018；Tang等人，2019年）。

上述超材料或超表面可归类为“模拟超材料”，因为无论有效折射指数或相位和振幅如何，都可以对电磁系数进行连续操作。Giovampaola ， Engheta（2014）和崔 et al.（2014）顺应信息科学的发展趋势，提出了数字超材料的概念。与传统超材料相比，电磁特征通过编码和数字超材料中的几个离散数字状态呈现（Cui et al.，2014）。例如，在1位编码超材料中有两个二进制数字“0”和“1”，相应编码粒子的相位响应分别为0° 和180°, （崔等人，2014年）。实际上，编码粒子之间的相位差，而不是绝对相位，是电磁操纵中的一个重要值。因此，该方案可以很容易地推广到2位和多位情况。由于编码粒子的性质不再依赖于连续有效介质理论或相移，编码和数字超材料的近场或远场辐射依赖于编码序列或编码模式，其中直接涉及数字信息。此外，崔等人（2014）通过在编码粒子上加载有源器件来创建可编程超材料，以实现对电磁信息的实时操作。因此，编码、数字和可编程的超材料在信息科学和物理超材料之间架起了桥梁，它们可以被提升为信息超材料，以完成对电磁波和未来信息系统的更多信息驱动操作（崔等人，2017a；崔，2017，2018；傅、崔，2019年；李LL和崔，2019）。

在接下来的章节中，我们从两个方面回顾了超材料的最新进展，即传统有效介质超材料、超表面和人工表面等离子体激元所表现出的新奇物理特性，以及信息超材料所带来的功能器件和新系统（包括编码、数字电子、和可编程超材料）。

2、模拟超材料

2.1、等效介质超材料

与由分子和原子组成的天然材料不同，超材料实际上是由周期性或准周期性排列的亚波长尺度的超粒子组成。超材料与其它早期的周期性结构如光子带隙结构和频率选择表面的主要区别是粒子尺寸较小，避免了相邻粒子间的相互耦合。Smith等人（2000）利用周期性的导电非磁性SRR阵列和连续导线构建了一种复合介质，并通过实验证明了左手金属材料最显著的特性——同时负介电常数和磁导率的可行性。早期的超材料设计遵循基于洛伦兹-德鲁德模型的等效介质机制。因此，超材料可以用连续的有效介质参数（即有效介电常数ε和有效磁导率mu;）来描述, 而这可从模拟或实验测量的散射参数（S参数）中获得。由于每个粒子的有效电磁系数可以独立和任意控制，因此整个超材料可以表现出一些在自然界无法实现的奇异特性，例如负折射（Padilla et al.，2006），甚至零折射（Moitra et al.，2013）。

2.2、超表面：超材料的二维版本

具有三维结构的超材料的电磁操纵原理是沿传播方向的空间位相累积，因此厚度相对于波长会相对较大。这种工艺在制造和集成方面可能面临一些困难，特别是在太赫兹波段和可见光波段方面。Sievenpiper等人（1999）提出了一种二维电磁带隙结构，它可以看作是二维金属材料的开端，称为超表面。这种具有高阻抗的蘑菇形超表面已广泛应用于天线和其他电磁设备中，以减小尺寸和体积（Sievenpiper等人，1999）。早期，首次提出了广义薄板过渡条件法（Kuester等人，2003）和横向共振法（Collin，1960）来分析亚表面的电磁性能。随后，Capasso的团队提出了超表面的广义斯奈尔定律（Yu-NF等人，2012），为快速发展拉开了序幕。

超材料表面上相邻粒子之间的相位不连续是人为设计的，目的是填充电磁波，而不是像三维超材料那样用于空间积累。例如，当梯度相位不连续性由V形结构实现时，入射波将被弯曲到倾斜的传输方向（Yu-NF et al.，2012）。因此，超曲面具有设计简单、成本低、重量轻、易于集成等一系列优点。

2.3、Spoof SPPs

Spoof SPPs是另一种被广泛研究的超材料，它提供了一种全新的方法来操纵微波域中的电磁波。SPPs能高度局部化电磁波，通常出现在介电常数相反的两种介质的界面上，但只出现在可见光频段上。

然而，在微波段实现SPPs是不可能的，因为金和铜等金属材料在没有负介电常数的情况下表现为良导体。因此，研究人员使用人工超材料结构，如亚波长槽、孔、凹坑的二维周期阵列，或带槽的三维导线，来模拟高局部化和色散特性，作为微波区域的欺骗SPP。Pendry等人（2004）提出了一种专门设计的spoof SPPs来控制色散特性。带有穿孔方孔阵列的完美导体有效地限制了界面上的入射波，在z方向上呈指数衰减，这与天然SPPs的性能相似（Pendry et al.，2004；Garcia Vidal等人，2005年）。然而，这种结构需要承受一些缺点，例如制造、集成和一致性方面的困难。

附：原文外文

Microwave metamaterials: from exotic physics to novel information systems*

Abstract

Metamaterials and metasurfaces have attracted much attention due to their powerful ability to control electromagnetic (EM) waves. In this paper, we review the recent developments in the field of EM metamaterials, starting from their exotic physics to their applications in novel information systems. First, we show the fundamental understanding on traditional metamaterials based on the effective medium theory and related applications, such as invisibility cloaks and meta-lenses. Second, we review the two-dimensional versions of metamaterials, i.e., metasurfaces, for controlling spatial waves and surface waves and thereafter present their typical designs. In particular, we briefly introduce spoof surface plasmon polaritons and their applications in microwave frequencies. Following the above approach, we emphatically present the concepts of digital coding metamaterials, programmable metamaterials, and information metamaterials. By extending the principles of information science to metamaterial designs, several functional devices and information systems are presented, which enable digital and EM-wave manipulations simultaneously. Finally, we give a brief summary of the development prospects for microwave metamaterials.

Key words: Metamaterial; Effective medium theory; Metasurface; Surface plasmon polaritons; Digital coding; Programmable; Information

1.Introduction

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