导读 在材料科学领域，电磁(EM)超材料已经成为一种革命性的工程复合材料，能够以前所未有的方式操纵电磁波。与天然存在的对应物不同，电磁超材料...
在材料科学领域，电磁(EM)超材料已经成为一种革命性的工程复合材料，能够以前所未有的方式操纵电磁波。与天然存在的对应物不同，电磁超材料因其独特的结构排列而具有非凡的性能，使它们能够表现出传统材料无法达到的电磁特性。
电磁超材料最迷人的特性之一在于零折射率超材料(ZIM)领域。ZIM 具有在任意形状上实现均匀电磁场分布的卓越能力(图 1a)。这种独特的特性开启了许多潜在的应用，从超紧凑的耳机 装置到任意形状的波导和透镜以及光子晶体表面发射激光器(图1b)。
尽管 ZIM 潜力巨大，但在实际实施中仍面临重大障碍。ZIM 的均匀性通常受到每个自由空间波长的晶胞数量的限制(图 1d)。这种限制是由用于构建 ZIM 的材料的低介电常数特性引起的。因此，ZIM 通常需要较大的物理空间才能实现其有效的电磁特性(图 1e)。
研究人员在一项突破性的研究中通过使用高介电常数材料的新型组合开发出高度均匀的 ZIM，克服了这一长期存在的挑战。如图 2a 所示，通过采用嵌入 BaTiO 3背景基质中的 SrTiO 3陶瓷柱，他们成功制造了 ZIM，其均匀化水平提高了三倍以上(图 1e 和 1f)，显着减小了其物理尺寸。
基于整个 ZIM 中电磁场相位的均匀分布，研究人员展示了一种高方向性天线。通过将 ZIM 纳入金属波导(图 3a)，该天线已接近天线方向性的基本限制，因为孔径尺寸从亚波长范围到非常大的范围变化(图 3c)。
这一突破为基于 ZIM 的设备的新时代铺平了道路，提供了前所未有的性能和紧凑性。研究人员的成就对通信、遥感和全球定位系统等广泛领域产生了深远的影响。此外，他们的工作为超紧凑波导、耳机 装置和超导量子计算的基础研究开辟了新的可能性。