东南大学崔铁军Advanced Function Materials：电磁波的非线性吸收取得新突破

【引言】

微电子技术和人工智能的发展极大地提高了人们的生活水平，尤其是在大数据时代的背景下，增强现实、脑功能映射、人工智能芯片等各种新型的技术涌现，使得更多地高科技产品充斥着人们的生活。在未来，人们对电子产品的使用频率将进一步提高，从而导致人类将生活在更为复杂的电磁环境中，随之产生的电磁污染问题变得更为重要。因此，建立良好的城市电磁环境，减少各个电子元件在产生的有害电磁波，实现良好的电磁兼容在保障电子设备正常运行以及人类健康方面起到关键的作用。

对此，一个关键问题在于如何在较为复杂的电磁环境中提取有用的电磁波信号，同时吸收掉无用或对人类及电子设备有害的杂波。其中，非线性机制的研究是解决这一问题的一种有效途径。非线性效应是指在电磁波的作用下由于介质的非线性极化而产生的效应，包括谐波，倍频，受激拉曼散射，双光子吸收，饱和吸收，自聚焦等。电磁波的非线性吸收即吸收能力与电磁波的强度、波段呈非线性关系。因此，在有害的波段实现强吸收，在有用的波段实现弱吸收，对有用吸收的筛选及甄别、杂波过滤等有着重要的作用。然而，到目前为止，绝大多数材料对电磁波的选择性很弱，电磁波的非线性吸收机制尚不清晰，且缺乏系统的研究手段以及较为成熟的理论基础，因而还面临着很多挑战。

随着超材料的发展，越来越多的非线性效应被发现，例如共振位移、混频、非互易性等。其中，材料与电磁波之间的非线性相互作用在数字、时变技术中有着广泛的应用。构建合适的能量选择表面ESS或频率选择表面FSS是一个研究重点。在此基础上，结合相应的阻抗匹配机制，从而设计相应的工艺来构件合适的组织结构，从而实现电磁波的筛选与甄别。

【成果简介】

对此，东南大学罗章杰、崔铁军研究小组基于超材料的相关特性以及非线性吸收原理，设计出一种吸波超表面。通过评价其非线性响应及相应的阻抗匹配性能，得出这种超表面对电磁波具有良好的强度选择性，对强电磁波的吸收率在高达，对弱电磁波的吸收率仅为23%，剩余能量被重新反射回自由空间。该器件具有良好的工作稳定性，展示出良好的应用前景。该研究为电磁波的非线性吸收机制的探索以及超表面结构设计方面提供了重要的研究思路及技术支持，具有很好的借鉴意义。其成果以“A High-Performance Nonlinear Metasurface for  Spatial-Wave Absorption”为题发表在Advanced Function Materials。

【图文解读】

图一 超表面的结构设计

图二 超原子的性能评价

图三 非线性模型的建立

图四 CST模型的建立及相应结构装置

【结论】

综上所示，这项工作创造性地设计出一种空间电磁波超表面，展示出良好的强度选择性，其非线性机制包括传感、整流和二极管调谐行为，超表面的输入阻抗由入射强度自动控制。随着强度的增加，超表面和自由空间的阻抗会更好地匹配，从而使更强的波体验更大的强度更高的吸收率。此外，得益于在非线性电路低电压和低功率的设计策略，该模型可应用于常用电池供电，且无需使用重型直流电源，因而对于供电系统的兼容性和持续性有很好的促进作用。

 文献链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202109544