智能电磁计算的若干进展

自19世纪建立麦克斯韦方程以来,计算电磁学经历了百年的稳定发展,现已发展出有限差分法、有限元法、矩量法等数值算法和高频近似方法,是现代电子与信息领域的重要基石。近年来,人工智能技术经历了蓬勃发展,因其强大的建模和推理能力在电磁学界崭露头角,催生出智能电磁计算这一新兴研究方向,吸引了国内外众多科研工作者致力于该领域的研究,在电磁建模与仿真、电磁新材料和器件的分析与综合、探测与感知等领域涌现出很多优秀成果,为发展百余年的电磁学注入了新鲜血液。该文讨论了智能电磁计算的若干进展,为读者入门并了解该领域最新的研究成果提供有益帮助。

基于人工局域表面等离激元的高灵敏传感研究进展(特邀)

人工局域表面等离激元是一种基于表面等离激元超材料的电磁谐振模式,在微波、毫米波和太赫兹频段可实现深亚波长场束缚、高品质因子、高介电灵敏度等优异传感特性,并且与平面印刷电路工艺兼容,易于和信号检测电路、无线通信电路集成,因此在小型化便携式的物联传感领域展现出广阔的应用前景。本文重点介绍人工局域表面等离激元传感的新原理、相关技术及典型应用。在传感新原理方面,讨论了新型人工局域表面等离激元的谐振结构、电磁模式、以及涡旋波传感原理;在传感指标提升技术方面,探讨了模式间耦合和有源放大两种传感增强方法;在应用探索方面,回顾了人工局域表面等离激元在溶液浓度传感、细胞传感和力学量传感等方向的代表性工作,介绍了小型化人工局域表面等离激元传感系统的最新进展。最后,对人工局域表面等离激元传感的发展趋势进行了讨论和展望。

电磁超材料在量子体系下的应用与进展

电磁超材料是指具有亚波长的单元结构按照一定排列方式形成的人工电磁媒质,单元的结构和排列方式可任意设计,因此,可灵活精确地调控电磁波,实现一系列传统材料不能获得的新奇物理特性。这些独特的优势使电磁超材料在经典电磁学体系下迅猛发展并产生巨大的应用价值。随着研究不断的深入,电磁超材料在量子体系,即非经典电磁体系下的应用和发展也越来越受到人们的关注。本文首先介绍了量子超材料的一些基本概念和典型实现平台,包括超导量子超材料、非线性量子超材料和时空量子超材料等;其次,介绍了基于类量子效应构建的类量子超材料,着重介绍了由类量子超材料构建的电磁拓扑绝缘体;最后,重点介绍了当前量子超材料的几项重要应用,包括量子光源、量子态操控、量子探测、量子成像和量子信息编码等。

电磁超表面与信息超表面

电磁超材料和超表面是物理、信息与材料领域的热点与前沿,带来了许多新奇的物理现象和突破性的应用.信息超表面作为近些年来新兴的研究方向,通过数字编码的方式来调控电磁波,构建了由物理世界通往数字世界的桥梁.本文首先全面总结了电磁超材料与超表面的起源与发展历程;其次重点介绍了可调超表面与可重构超表面、时空调制超表面与器件的发展现状;接着系统介绍了数字编码与可编程信息超表面的基本概念和主要应用,讨论了信息超表面存在的挑战与未来展望;最后简要对电磁超表面和信息超表面的发展趋势进行了总结.

基于人工表面等离激元的天线赋能技术

针对现有天线尺寸对材料属性的过度依赖、天线隐身与辐射性能的固有矛盾、以及天线波束可重构方式和性能受限等瓶颈问题,着重讨论了利用人工表面等离激元场增强、场束缚及慢波效应对天线进行赋能的技术,包括基于人工表面等离激元的天线小型化技术、雷达散射截面抑制技术、以及波束重构技术,为新型天线的研究提供新的思路和选择。

加强电磁空间信息资源认知与利用研究前瞻布局

随着电磁设备与信息系统的爆炸式增长,国家经济稳定发展、国家安全和人民生活保障对电磁空间的依赖程度也越来越高,电磁空间日益成为国家安全体系中的重要组成部分,国家不可或缺的重大战略资源,社会向信息化和智能化时代演进的关键技术之一,世界各国科技竞争的重要战略领域。

人工表面等离激元片上传输线及其应用

现代信息技术对芯片的集成度与功能多样性提出了越来越高的要求,使得微带线、共面波导为代表的传统片上传输线在电磁模式与功能方面的短板日渐凸显。因此,从物理底层寻找具有全新传输模式的传输线是突破当前芯片瓶颈的一条重要技术路径。人工表面等离激元传输线作为一种具有强场束缚性和灵活可调色散特性等优势的电磁超材料,有望成为下一代芯片技术中的关键基础元件。文中介绍了人工表面等离激元片上传输线的基本构型、小型化设计以及可重构设计,展现了人工表面等离激元片上传输线具有的极高自由度。然后介绍了基于人工表面等离激元片上传输线的片上去耦应用和信号调制应用研究进展,展示了人工表面等离激元片上传输线巨大的应用潜力。

时空编码数字超材料和超表面研究进展

超材料是物理、信息、材料等多学科交叉融合的方向,是探究电磁波与物质相互作用的重要载体。近年来,具有时空调制参数的超材料引起了国内外学者的广泛关注。与此同时,基于数字编码的信息超材料和信息超表面由于具有现场可编程功能和同时调控电磁波和数字信息的能力,因此成为超材料新的发展方向。其中,时空编码数字超表面可在时间和空间域调制电磁参数,因此被成功运用于电磁波的空间谱和频率谱的自由操控,它能集能量辐射和信息调制功能于一体,在多维度域内同时调控电磁波和数字信息。本文首先简要概述时空编码数字材料和超表面的基本概念和工作原理,重点介绍了该领域近两年的研究进展,包括谐波调控、非互易效应、智能无线通信等代表性应用,最后探讨了时空编码数字超表面所面临的挑战和未来的发展趋势。

电磁超材料——从等效媒质到现场可编程系统

电磁超材料是由亚波长单元周期或非周期地排列而组成的人工电磁结构,可通过设计结构单元及其排布自由地控制电磁波,是信息领域的研究热点之一.本文介绍了东南大学毫米波国家重点实验室从事电磁超材料研究的历史和最新进展,主要分为3个发展阶段.第1阶段发展了等效媒质超材料,提出了超材料结构的等效媒质一般性理论,实验验证了宽带地面隐身衣、电磁黑洞、电磁幻觉及各向异性零折射率等奇特物理现象及功能器件,并在超材料变换光学透镜、平板透镜天线,以及宽带电磁隐身表面等方面获得了应用.第2阶段开拓了基于人工表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)传输线的微波领域新方向,提出一种超薄、低损耗、条带式的SPP传输线,能在共形曲面上传输无畸变的SPP波;基于此,研制了一系列微波SPP无源器件、SPP放大器和倍频器,以及SPP天线,构建了首个全SPP无线通信射频收发系统,在间距为深亚波长的两个通道上实现了两个独立视频无干扰的超视距传输.第3阶段创建了信息超材料新体系,提出用数字编码表征超材料的新思想,通过控制不同的数字编码序列实时地调控电磁波,实现了超材料的现场可编程功能;提出在信息超材料的物理平台上进行信息熵操作及相关的数字卷积定理和加法定理,在物理空间上构筑起数字空间,实现了对电磁波和数字信息的同时调控;基于此研制了新架构的微波成像系统、无线通信系统和智能感知系统.

人工表面等离激元超材料

以微带为代表的传统微波传输线无法精细操控电磁模式,因此传统电子信息系统在空间耦合、动态响应和性能鲁棒性等方面存在瓶颈。人工表面等离激元(SSPP)超材料可打破上述瓶颈,是光学与信息领域的研究热点之一。人工表面等离激元超材料是一类模拟光频段表面等离激元特性的新型超材料,可在微波和太赫兹频段精细操控表面波,具有与平面电路相似的构型特性,可用于制备下一代集成电路的基础传输线。人工表面等离激元分为传输型和局域型两类。传输型人工表面等离激元超材料始于三维立体结构,后发展成超薄梳状金属条带构型。学者们构建了以其为基础的微波电路新体系,研制了人工表面等离激元滤波器、天线、放大器和倍频器等典型的无源和有源器件,并将其集成为可实现亚波长间距多通道信号非视距传输的无线通信系统。人工局域表面等离激元(SLSP)超材料也经历了从三维立体构型到超薄构型的发展历程,并通过螺旋构型、链式构型、高阶模式和杂化模式等为电磁波的亚波长尺度调控提供了更多自由度。系统讨论了人工表面等离激元超材料在微波电路中的相关理论和应用,包括人工表面等离激元超材料的基本概念、构型发展、无源/有源器件以及无线通信系统。

人工智能超材料

人工智能的发展已经给人类社会的发展带来了极大变革,各种基于人工智能的新应用层出不穷。电磁和光学超材料对电磁波有强大的调控能力,且具有灵活的设计特性,尤其是可编程超材料的实时数字化调控能力,有利于基于人工智能技术的电磁超材料的设计和智能化应用。对超材料的智能化设计、智能化结构和智能化系统进行了阐述,对于人工智能技术与电磁和光学超材料的结合,总结介绍了结构优化、架构设计和系统应用的主要进展和成果,并展望了智能超材料的未来发展方向。

非线性超表面新模式:时空编码数字超表面

超表面是由亚波长结构组成的超薄人工表面,对电磁波具有突出的调控能力。近年来,因其在非线性效应增强方面的巨大潜力,超表面引起了人们越来越多的重视。具有现场可编程能力和时空信息调制能力的时空编码数字超表面可精准、高效地操控非线性电磁效应和电磁信息,因此成为非线性超表面的一种新模式。文章首先介绍时空编码数字超表面的基本概念,重点讨论近几年在非线性电磁调控方面的研究进展,包括谐波生成、电磁参数控制和非线性波前调控等相关工作。最后,对时空编码数字超表面面临的挑战及未来的发展趋势进行了总结和展望。