撰稿|由课题组供稿
近日，南京大学的伍瑞新教授课题组与厦门大学的陈焕阳教授合作在微波频率首次验证了超散射现象并设计实现了电磁隐形门等幻象器件。相关工作以“Invisible Gateway by Superscattering Effect of Metamaterials”为题发表在近期的Physical Review Letters上，并入选编辑推荐。南京大学的伍瑞新教授和厦门大学的陈焕阳教授为论文共同通讯作者，南京大学硕士研究生叶康平为论文第一作者，南京大学为论文第一单位。
物体的幻象光学效应是指被观测到的物体和实际物体本身不同的现象。一个典型的例子是，散射截面被极大放大的超级散射体[Opt. Express 16, 18545 (2008)]。理论证明，超级散射体可以用互补媒质[J. Phys.: Condens. Matter 15, 6345 (2003)]结合变换光学技术加以实现。这一技术已被用来设计许多奇妙有趣的幻象光学器件，如基于超散射效应的隐形通道（隐形门）[Appl. Phys. Lett. 94, 223513 (2009)]、超吸收体[Opt. Lett. 34, 644 (2009)]、非包裹隐身[Phys. Rev. Lett. 102, 093901 (2009)]和内窥镜等幻象光学器件[Phys. Rev. Lett. 102, 253902 (2009)]。然而，要实现这些器件需要有负折射率材料，并对材料折射率的分布提出了苛刻的要求，在实验上极难实现。基于一种简化的原型设计[New J. Phys. 11, 083012 (2009)]，用电路模拟方法验证了幻象光学中的隐形门[Phys. Rev. Lett. 105, 233906 (2010)]。然而，到目前为止这样的幻象光学器件和幻象光学效应还未能在在实验上得到证实。
利用自偏置锶磁铁氧体阵列实现的折射率n=-1的双负超材料，研究团队构建了工作在微波频率的超级散射体（图1(a)）。超级散射体中的双负超材料与其空气中的镜像区域互补，将相邻的PEC边界映射到空气区域一侧，形成虚拟PEC边界，从而使得外部观测者看到一块包含了超材料和镜像空气区域的大块金属物体（图1(b)）。图1(d)是实验观测的超散射效应，测量到的电场分布显示出散射体明显大于它的实际物理尺寸，铁氧体阵列界面处的局域场证明了超级散射背后的物理机制是双负材料表面的等离激元激发。文中实现的超级散射体的特征尺寸大于波长，且其散射特性与虚拟等效物完全等价（理想状况），它不同于通过加强某些低阶散射实现的亚波长物体在特定方向上的超散射。
用超级散射体实现隐形门的效果。当超级散射体右侧放置的金属块正好位于虚拟PEC边界位置时，两者之间空气通道的电宽度将为零。从一端入射的电磁波将无法到达另一端（图2(a)）。文中的隐形门可以在宽度为1.7倍波长的空气通道内阻止电磁波的传播，其宽度远大于相应的截止波导宽度。
图1 双负超材料的超散射效应 (a)超级散射体示意图；(b)仿真结果；(c)实验设施；(d)实验结果
图2 电磁隐形门 (a)示意图；(b)仿真结果；(c)隐形门被金属波导替代；(c)实验设施；(e)-(f)实验结果
研究人员通过双负材料构造了微波频段的超级散射体，在实验中首次观测到双负材料的散射放大效应。他们进一步利用制备的超级散射体搭建了电磁隐形门，在1.7倍波长宽度的空气通道内对一定频率范围内的电磁起到了有显著的阻断作用。该工作是幻象光学器件研究的一个重要进展，它将激励和促进其它幻象器件的研究和实现。本课题得到国家自然科学基金，江苏高校优势学科建设工程项目和江苏省先进电磁波调控技术重点实验室的支持。作者特别致敬上海交通大学马红孺教授课题组和香港科技大学陈子亭教授课题组的合作者。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.227403
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