撰稿|由课题组供稿
近期，同济大学物理科学与工程学院陈鸿教授课题组与同济大学电子与信息工程学院李云辉教授合作提出一种全新的“反共振-共振”型高阶反宇称-时间（Anti-Parity-Time, Anti-PT）对称非厄密系统，其中耗散耦合与相干耦合的机制竞争会导致新奇的“能级钉扎”效应，并被用来实现稳定且高效的无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）。相关研究成果以“Level pinning of anti-PT-symmetric circuits for efficient wireless power transfer”为题，发表在国际重要学术期刊《国家科学评论》（National Science Review）上。同济大学郭志伟助理教授为论文第一作者，郭志伟助理教授、陈鸿教授与李云辉教授为共同通讯作者。另外，同济大学杨逢青硕士也对本项工作做出了重要贡献。
WPT技术是一种利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术，它为人们利用电能开辟了一条新途径，其对于消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度电能供应的场景都具有重要的应用价值。然而传统的WPT技术会受到传输距离的严重限制。尽管借助于谐振线圈之间的磁共振耦合效应可以实现中远距离的能量传输，但是由于近场耦合劈裂这一基本物理限制，如何在保持系统高传输效率的同时实现稳定的能量传输，成为目前中远程WPT领域一个很难调和的矛盾。此外，如何实现远距离、发射/接收端高面积比、低待机功率损耗、良好电磁兼容性以及多负载的稳定高效WPT仍是目前亟待解决的重要科学难题。
近年来，非厄密物理的显著发展为现代WPT技术革新提供了新的原理支撑。本项工作提出“W型”反共振结构，并将非厄密物理中的Anti-PT对称应用到WPT系统中。通过将反共振模式的“能级吸引”与反共振模式和共振模式的“能级排斥”结合，研究了高阶Anti-PT对称具有的“能级钉扎”效应。与传统的“共振-共振”型WPT相比，“反共振-共振”型WPT具有更高的安全性、稳定性、传输效率和灵活性，此外兼具更低的待机功率损耗。考虑到器件的小型化和集成化，本项工作采用“合成维度”设计了紧凑型“超构线圈”，并用于构造高阶Anti-PT对称系统，进而实现了稳定且高效的WPT。本项工作基于高阶Anti-PT对称系统中“能级钉扎”效应提出的新型WPT技术不仅为丰富的非厄密物理提供了良好的应用研究平台，而且为突破传统共振机制的近场应用，如共振成像、无线传感、光子路由等开辟了新的途径。
本项工作提出的三能级非厄密系统由两部分耦合形成（图1a）：左侧的发射端（紫色）提供了两个频率为ω0±Δ的失谐模式，反射光谱在工作频率ω0处存在极大值，对应于“W型”反共振；而右侧的接收端（绿色）提供了一个频率为ω0的共振模式，反射光谱在工作频率ω0处存在极小值，对应常规的洛伦兹型共振（图1c）。随着耦合系数κ的增加，系统自Anti-PT对称的弱耦合区（κ<γ，蓝色区域）经过奇异点（Exceptional point, EP）逐渐演化到Anti-PT对称破缺的强耦合区（κ>γ，红色区域），始终具有一个稳定的纯实数本征频率ω0，这种独特的“能级钉扎”效应展示了系统的强鲁棒性（图1b）。
图1. 等效三阶Anti-PT对称系统及“能级钉扎”效应
值得注意的是，这里的“能级钉扎”源自两种近场耦合机制的竞争抵消：1）反共振模式的“能级吸引”。随着发射端两个模式间的虚耦合γ（即耗散耦合）增强，失谐的两个模式（对应透射峰）逐渐接近，表现出“能级吸引”（图2a，2b）；2）反共振模式和共振模式的“能级排斥”。随着发射端-接收端两个模式间的实耦合κ（即相干耦合）增强，劈裂的两个模式（对应透射峰）逐渐远离，表现出“能级排斥”（图2c，2d）。正是系统“能级吸引”和“能级排斥”的竞争抵消导致了新奇的“能级钉扎”效应。在复合参数空间γ-κ，绿色平面即对应钉扎的能级（图2e，2f）。
图2. “能级吸引”与“能级排斥”间的竞争机制
上述理论模型可以借助LC电路实验进行方便构造与验证（图3c）。通过改变发射端与共振接收端线圈尺寸比R/r调节实耦合κ强度（图3a），同时可以借助集总电子元件构建超线圈谐振子调节虚耦合γ强度。不同于传统的共振发射线圈（Resonancetransmitter coil, RTC），这种反共振发射线圈（Anti-resonance transmitter coil, ATC）的设计打破了n阶系统需要n个谐振线圈的固有思路，可以有效地提升系统集成度（图3b）。考虑相同参数的“共振-共振”型与“反共振-共振”型WPT方案，前者在强耦合区（R/r<1.98）本征频率劈裂为f2+与f2-两支，后者则始终具有一个与耦合无关的本征频率f10 = 225 THz，实验很好地验证了“反共振-共振”型WPT的“能级钉扎”效应（图3d）。
图3. 旁路电容作为“合成维度”构造反共振线圈，并实现“反共振-共振”型Anti-PT对称WPT系统
将ATC方案与常规RTC方案进行比较，可以发现ATC方案在工作频率（225 kHz）的待机功率显著降低（图4b）而传输效率显著提高（图4a, 4c），兼具节能性与高效性。即使在偏离Anti-PT对称的完美匹配条件下，ATC方案同样有更好的表现，再次验证了其鲁棒性（图4d）。
图4. “反共振-共振”（ATC）方案与常规“共振-共振”（RTC）方案待机功率和传输效率比较
图5. “反共振-共振”（ATC）方案的多负载效率分配
此外，该项工作还研究了“反共振-共振”方案在多负载条件下，传输效率的选择性分配问题。对于高发射/接收端面积比的弱耦合情况，ATC方案的传输效率明显高于传统RTC方案（图5a）。考虑系统存在两个相同的负载情况时，可以发现ATC方案中不同负载都可以进行较为高效的能量传输（图5b）。当系统的负载不同时，还可以通过调节负载的功率以及耦合强度来调控多负载的功率分配（图5c）。因此基于Anti-PT对称的ATC方案不仅可以实现高发射/接收端面积比的高效WPT，还可以有效调控不同负载间传输效率的灵活调配。除了高效且稳定的传输效率、待机功率损耗、多负载效率分配等问题外，该项工作还对系统的电磁兼容性进行了对比实验研究。可以看到，对于ATC方案而言，发射线圈的磁场泄露强度明显弱于RTC方案（图6）。较低的电磁泄露也意味着ATC方案具有更好的电磁兼容性，对环境更加友好，更具安全性。
图6. “反共振-共振”（ATC）方案与常规“共振-共振”（RTC）方案电磁兼容性比较
该工作不仅为无线电能传输提供了全新的思路，而且有望推广到一些突破传统共振机制的近场应用，如无线传感、无线通信、共振成像、光子路由等。另一方面，基于集总电子元件的超线圈谐振子可以为研究丰富的非厄密物理提供一个良好的应用研究平台。
该工作受到国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwad172
