兰州大学在电磁隐身器件方面取得新进展

　　近日《物理评论快报》刊登了兰州大学信息学院梅中磊http://WwW.jyzb.cago365.com副教授研究组和东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授研究组题为“Experiments on active cloaking and illusion for Laplace equation”的研究成果。该论文报道了针对拉普拉斯方程的首个有源隐身和变形实验，也是所有波段的第一个有源隐身和变形实验。这是自2012年8月《物理评论快报》以封面论文形式发表题为“dc electric invisibility cloak”的论文以来，第二次报道该联合研究组在自由调控静电场方面的工作。

　　关于电磁隐身器件的研究一直是科学领域的热点问题。2006年，英国物理学家J. B. Pendry爵士在Science上发表论文，提出了变换光学理论以控制电磁波，并基于此设计了一个极为优雅的完美隐身器件，激发了人们对隐身器件的关注。同年，美国杜克大学D. R. Smith教授研究组首次在实验上验证了简化的电磁隐身器件，这一研究被Science杂志评为2006年十大科技突破之一。2009年，杜克大学Smith教授和东南大学崔铁军教授联合研究组实现了第一个宽带地面隐身器件(即隐身地毯)的二维实验，发表在Science上。此后，关于电磁隐身的研究在全球范围内如火如荼地开展起来，然而这些隐身器件的实验设计均存在某种近似，尚缺乏完美隐身器件的实验验证。

　　作为时变电磁场的特例，静电和静磁隐身器件的研究也具有重要理论和实际意义。2012年初，Science和Advanced Material相互独立地报道了西班牙和美国哈佛大学研究组关于直流磁型超导隐身器件的研究成果。稍后，兰州大学梅中磊副教授和东南大学崔铁军教授研究组在Physical Review Letters上提出并实验验证了直流电型隐身器件，正好与上述研究形成互补，构成了静电和静磁隐身领域的一套完整理论。该联合研究组提出了应用电阻网络构建非均匀、各向异性等效电导率媒质的新思路，可实现任意电导率分布(包括奇异性)，因此验证了直流情况下的完美隐身。在上述工作基础上，基于变换静电学理论，该研究组对直流场的调控进行了系统而深入的研究，取得系列成果。包括：设计并首次实验验证了一种外部隐身器件，它不需要罩住待隐藏目标，只需放在目标旁边即可实现隐身效果;先后设计并实现：直流幻觉设备，可以改变物体在EIT(生物电阻抗成像)探测设备下的“指纹”信息，从而实现无源“变形”;直流隐身地毯，可以隐藏放置在平地上的物体;直流场集中器，完成对电流密度的增强;一种超薄隐身器件，使用单层结构即可实现理想隐身效果。原则上，该思路可实现所有可能的变换静电学器件。

　　与变换静电学的方法不同，最近的Physical Review Letters论文从一个新的角度实现电磁隐身。不再用隐身器件包裹待探测目标，而在目标周围放置一些受控源，这些受控源所产生的场刚好抵消目标所产生的散射场。根据唯一性定理和叠加原理，这些受控源就像隐身衣一样保护目标不被探测，因此称之为有源隐身。同理，该方法也可实现有源变形。其优点是不需要使用复杂的新型人工电磁媒质，灵活，在线可控;缺点是目前只适用于直流或者低频情况(例如声波)。该工作发表后，BBC Website Future于2013年11月5日在Under the Radar Column栏目对这一成果进行了题为“Shape-shifting: how to build an ‘illusion cloak’”的跟踪报道。

　　需要说明的是，采用电阻网络对其他基于拉普拉斯方程场的调控问题具有普适意义。例如，由于电阻在电流流过时会产生热量，因此还可以利用这类网络进行热传递(基于拉普拉斯方程)的任意调控。

　　本研究得到了国家自然科学基金委重大项目的资助。