天元實驗室AdvancedMaterials：免疫環境變化的新型超材料

海歸學者發起的公益學術平臺

分享資訊，整合資源

交流學術，偶爾風月

隱身技術作為超材料的典型應用之一，自提出以來便引發了廣泛的研究興趣。從光學、聲學到靜電學和熱擴散，隱身斗篷的應用範圍不斷擴大。然而，隱身技術在實際應用中面臨著一個重大挑戰：現有的被動隱身裝置對背景折射率的變化極為敏感，無法在環境背景變化的情況下保持穩定的隱身效果。這種強烈的背景依賴性嚴重限制了隱身裝置的實際應用。

近日，南京航空航天大學羅宇教授的研究團隊聯合新加坡國立大學仇成偉教授和東南大學張婧婧教授，在國際知名期刊Advanced Materials上發表了一項題為“Transformation‐Invariant Laplacian Metadevices Robust to Environmental Variation”的突破性研究。該研究提出了一種新型的能免疫環境變化的超材料（Transformation-Invariant Metamaterials, TIMs），能夠在環境背景變化的情況下實現理想的隱身效果。這一成果不僅在理論上取得了重要突破，還透過實驗驗證了其在實際應用中的可行性，為未來複雜環境下的隱身技術的發展開闢了新的道路。航天電器上海研究院的黃垚博士為論文的第一作者，東南大學的張婧婧教授為共同第一作者；羅宇教授、仇成偉教授、張婧婧教授為論文通訊作者。

在這項工作中，研究團隊提出了“不變性超材料”（TIMs）的概念，並將其應用於靜態場系統。研究表明，對於任何由拉普拉斯方程控制的物理場，透過精心設計的TIMs可以實現對環境變化具有魯棒性的隱身斗篷。這一發現不僅解決了隱身技術中的背景依賴性問題，還為其他靜態場系統（如靜磁場、熱擴散等）的應用提供了新的思路。

研究團隊首先從二維場景出發，探討了TIMs在靜態場系統中的轉換原理。TIMs具有極高的各向異性，其主材料引數（如電導率或磁導率）在任意座標變換下保持不變。這種特性使得TIMs可以透過簡單的材料堆疊和定向來實現複雜的變換光學裝置。

研究團隊設計了一種基於TIMs的直流（DC）隱身斗篷，並透過近場測量實驗驗證了其效能。實驗結果表明，該隱身斗篷能夠在背景電導率從22到859 kS/m的範圍內成功隱藏大尺寸物體，並且在任意電場源下均表現出背景免疫的隱身效果。這一設計策略不僅適用於直流場，還可以推廣到靜磁場、熱擴散等領域，具有廣泛的應用前景。

為了驗證理論預測，研究團隊進行了數值模擬和實驗驗證。透過COMSOL軟體進行數值模擬，研究團隊比較了雙層隱身斗篷和基於TIMs的隱身斗篷在不同圓柱諧波入射下的散射係數。結果表明，傳統的雙層隱身斗篷只能在特定的圓柱諧波入射下實現隱身效果，而基於TIMs的隱身斗篷則能夠在所有圓柱諧波入射下消除散射，表現出極強的源獨立性。

圖1. 基於 TIM 的直流隱形斗篷設計原理。

實驗驗證

實驗部分，研究團隊利用均勻場和四極場（n=1和n=2）進行了系列實驗。實驗結果顯示，基於TIMs的隱身斗篷能夠有效消除物體的散射，恢復背景電場的電位分佈。此外，研究團隊還透過旋轉樣品驗證了隱身斗篷的全向有效性，結果表明該隱身斗篷在任意入射場下均表現出優異的隱身效能。

圖2. 基於TIM的直流隱身斗篷實驗結果。

環境魯棒性

研究團隊還透過理論計算和實驗驗證了基於TIMs的隱身斗篷在背景變化下的魯棒性。理論計算表明，基於TIMs的隱身斗篷在背景電導率從2到7000
kS/m的範圍內均表現出極低的散射係數，表明其對背景變化具有極強的魯棒性。相比之下，傳統的雙層和變換光學（TO）隱身斗篷在背景電導率偏離設計值時，散射係數顯著增加。

實驗部分，研究團隊透過使用兩種不同電導率的碳布（W1S1002和W1S1009）驗證了隱身斗篷在背景變化下的效能。實驗結果顯示，基於TIMs的隱身斗篷在兩種背景電導率下均能有效恢復電位分佈，表現出極強的背景免疫性。

圖3. 基於TIM的隱身斗篷對環境魯棒性的實驗驗證

三維擴充套件與未來應用

研究團隊還將該方法擴充套件到三維場景，設計了一種基於TIMs的三維直流隱身斗篷。透過三維雙線性座標變換，研究團隊成功實現了對雙錐形物體的隱身效果。數值模擬結果表明，基於TIMs的三維隱身斗篷在所有圓柱諧波入射下均表現出極低的散射係數，而傳統的三維雙層隱身斗篷則在高階圓柱諧波入射下表現出顯著的散射。

研究團隊指出，基於TIMs的設計方法不僅適用於拉普拉斯方程控制的物理場，還可以推廣到由亥姆霍茲方程控制的光學領域。透過數值模擬，研究團隊驗證了基於TIMs的光學隱身斗篷在不同源條件、背景介質和波長下的效能，結果表明其與拉普拉斯隱身斗篷具有一致的效能。

圖5. 該方案的三維拓展

結論與展望

該研究提出了一種基於不變性超材料（TIMs）的全向理想隱身斗篷設計正規化，成功解決了傳統變換光學和散射抵消方法中的源依賴性和環境敏感性問題。透過理論計算、數值模擬和實驗驗證，研究團隊證明了基於TIMs的隱身斗篷在直流場和靜磁場中的優異效能，並探討了其在三維場景中的應用潛力。

這一成果不僅在理論上取得了重要突破，還為未來隱身技術的發展提供了新的思路。研究團隊表示，基於TIMs的設計方法具有廣泛的應用前景，可以應用於直流場、靜磁場、熱擴散、物質波等多種物理場中，為感測、成像、通訊等領域帶來革命性的技術進步。

致謝

本研究得到了中國國家重點研發計劃（2022YFA1404903）、中國國家自然科學基金（62271139, U21A20459）、江蘇省特聘教授基金（1004-YQR24010）、中央高校基本科研業務費專項資金（NE2024007）、新加坡國家研究基金會競爭性研究計劃（NRF-CRP22-2019-0006和NRF-CRP23-2019-0007）、上海市浦江人才計劃（23PJ1421200）、新加坡國立大學蘇州研究院奈米能源與環境平臺以及江蘇省科技計劃專案（BZ2022056）的資助。