前沿｜清华大学周济课题组Mater. Horizons：基于陶瓷基Anapole超材料的电磁波完美吸收器

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随着当代物理学理论的不断进步，超材料在力学、热学、声学、光学和电学领域得到了长足的发展，而超材料如何从物理模型演化到实际应用也成为人们关注的焦点。为解决不同应用场景下超材料器件对复杂和极端环境的适应性问题，例如航空航天设备和行星际探测中的高温环境（通常高于1000°C）、强氧化环境、极端气候或航空发动机中的灵敏探测等，研发高效稳定的超材料器件成为一个重要的研究课题。

以常见的超材料电磁波吸收功能器件为研究对象，在基于Mie谐振的陶瓷基超材料吸收器研究中，超原子的材料构成通常采用氧化物陶瓷，由于受到阻抗匹配理论的吸收极限影响，反射衬底是必不可少的，然而一些极端环境下陶瓷超原子与衬底间的耦合关系还不清晰，尚不能在可靠型超材料中得到应用。近年来，逐渐衍生出的耐高温超材料吸收器通常采用导电陶瓷激发等离子体谐振机制，结构相对复杂，且无法在800℃高温氧化等环境下重复使用，依然无法满足未来应用化、产业化的行业需求。因此，如果能有效规避上述设计思路中的缺陷，该类超材料将有望实现由理论模型向实际应用的跨越。

Anapole最早被用于描述不与电磁场相互作用的基本粒子，即所谓的“无极子”。20世纪90年代，这一概念被推广到电动力学，其物理过程可描述为：由环形偶极子与电磁多极子的适当组合产生远场干涉相消，形成近场非辐射局域态。不同于可观测的准BIC（Quasi-Bound States in the Continuum）中离散束缚态与连续谱的耦合机制，Anapole可通过调控散射过程中多极子的模态耦合进行构建，而广义杂化Anapole的合成也于近年来被验证。

在上述研究背景下，清华大学材料学院周济课题组将Anapole超材料设计与高可靠介质陶瓷的本征响应特性相结合，设计出一种新型集成化陶瓷谐振单元及其周期性结构，多尺度调控超材料的电磁波响应机制，提出了一种新的电磁波完美吸收策略：结合超材料结构设计与介质陶瓷性能（介电常数、损耗、温度稳定性）设计，成功耦合诱导电场畸变，产生杂化Anapole模态；此时，无需反射衬底，仅依靠单层陶瓷单元阵列即可实现微波/毫米波段的单频完美吸收（吸收率99%），在一定程度上打破了传统阻抗匹配理论框架下单层吸波结构50%的理论吸收极限；而在高温（1000℃以上）循环可靠性实验验证中，经处理后的陶瓷超原子在波导中平均吸收率依然在98%以上，解决了采用导电陶瓷的超材料吸收器的高温（1000℃以上）失效问题。相关结果发表在Materials Horizons（DOI: 10.1039/D3MH00019B）上。罗伟嘉博士为本论文的第一作者，天津大学李玲霞教授为本论文的共同通讯作者。

在这里，我们引入了两个设计自由度（即上图中的超原子间距d和陶瓷损耗标度Qf值），以实现远场散射能量的幅值与相位自由调控，构建杂化Anapole模态：陶瓷超原子中的模态耦合与构建过程是复杂的，因此我们在多极分解的基础上抽象出集总参数模型，结合本征模求解，分离出最直观的调控参数d与Qf值；进而，选取单体钨青铜基微波介质陶瓷体系，结合仿真结果进行材料性能设计、陶瓷精细加工，成功制备出满足要求的Anapole陶瓷超原子。最后，利用毫米波波导结合温控测试系统，成功验证了本研究中超材料的高可靠完美吸收（见下图）。本研究在设计层面摆脱了反射衬底，可集成化得到了极大提升；简单结构可匹配多频段、多种类型介质陶瓷；功能实现上同样也不局限于完美吸收。在实现高可靠的基础上，上述优势同样可为Anapole超材料的未来应用带来更多新的发展契机。