最新研究成果:超材料的一种新的尺度定律

    2020-05-18 12:02:12 次阅读

    超材料(英文:Metamaterial), 拉丁语前缀词根“meta-”表示“超出、另类”等含义。指的是一类具有特殊性质的人造材料,这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质,比如让光、电磁波改变它们的通常性质,而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处,它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构,大小尺度小于其作用波长,因此得以对波施加影响。对于超材料的初步研究是负折射率超材料。

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    超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景,从高接收率天线,到雷达反射罩甚至是地震预警。超材料是一个跨学科的课题,囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等等。

    经过工程设计以具有自然界中未发现的特性的超材料,由于其独特的功能和令人兴奋的应用而长期得到科技研究人员的开发和研究。然而,直到现在,研究人员还不清楚其热辐射特性背后的物理原理。

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    在最近的《物理评论快报》上发表的一篇论文中,卡内基·梅隆大学的科学家们,创建了一种超材料的新的尺度定律,以描述超表面和超材料的热辐射。

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    论文作者为中国学者、卡内基·梅隆大学机械工程系副教授沈晟(Sheng Shen)和他的博士研究生李嘉雨(JIayu Li)和于波文(Bowen Yu)。

    如下图所示,新的尺度定律揭示了超材料的集体热辐射行为背后的物理原理。

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    李说,“有了这一新的尺度,揭示了超材料的集体热辐射行为背后的基本物理原理,研究人员可以轻松地利用现有的设计和优化工具从超材料中获得所需的热辐射特性,而不必通过绘制整个设计图来盲目寻找最佳解决方案空间。”

    热辐射是指材料发出的光的类型。例如,人类发出红外光,而发光的铁水则发出可见光。通常,热辐射取决于物体的温度和成分。但是,超材料的超表面由于其独特的亚波长尺度结构而与我们对热发射的经典理解有所不同。

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    该研究成果的新尺度定律的影响在许多领域中将会看到,包括电气工程、光电、材料科学和热工程。超材料的应用包括太阳能收集、光学滤镜和热伪装。

    沈教授说,“我们正在应用这一新的尺度定律来设计新颖的基于超材料的热红外设备,用于包括红外信号控制、红外感应、热量管理和热能转换在内的各种应用。”

    该论文的标题为“等离子超表面的远场热辐射的尺度定律”,于2020年3月发表在《物理评论快报》上。

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