image: （a）双模超材料设计示意图。该结构采用填充常规电介质的金属狭缝，具备双重工作模式：基于法布里-珀罗共振频率的全向多频模式，以及基于布鲁斯特效应的定向宽频模式。右图展示了通过级联阻抗匹配的金属狭缝能实现坐标变换不变性。（b）准宽带隐身斗篷的实验验证。（c）准宽带逆反射器的实验验证。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
2006年，英国帝国理工大学Pendry教授提出了变换光学理论，建立了电磁波传播路径与材料本构参数之间的对应关系。变换光学理论通过坐标变换赋予了人们对电磁波前所未有的控制能力，并催生了如隐身斗篷与幻象光学器件等一系列新奇的功能性器件。然而，坐标变换后所需的极值参数要求（即需要空间非均匀和各向异性材料）使变换光学器件往往只能在较窄的频率范围内工作。尽管先前的研究试图规避对非均匀材料的需求，然而现有的实现方案仍然局限于单频工作与特定的几何设计。因此，实现能工作在宽频的任意几何设计变换光学器件仍是一个巨大挑战。
为了解决这一难题，研究团队提出了一种具有两种不同频谱特性的双模式超材料：
1. 基于法布里-珀罗谐振（Fabry-Pérot resonances）的多频全向特性；
2. 基于布鲁斯特效应（Brewster-effect）的宽频定向特性。
通过级联阻抗匹配、内部填充均匀电介质的谐振腔，该超材料成功规避了对极值参数的需求，并具备动态调整工作频率的能力。在此基础上，研究团队设计并实验验证了两种变换光学器件，其分别为能隐藏物体的隐身斗篷与能将光沿着入射方向反射回去的逆反射器。实验结果表明，在大角度照射下，隐身斗篷在整个X波段（7.5-12.5 GHz）内的透射率均大于88.4%；而逆反射器在X波段与K波段（12-24 GHz）实现了接近全反射的逆反射效率。与传统的变换光学器件相比，这些器件将工作带宽拓展了10倍以上。
研究团队所提出的超材料仅由金属狭缝与电介质构成，结构简单，可直接拓展至太赫兹等更高波段。这使得该超材料在宽带雷达散射截面（RCS）缩减、自适应波束控制系统以及下一代通信网络与6G/7G基础设施建设等领域具有广阔的应用前景。