JPhys Photonics研究路线图|电磁超材料与超表面的研究路线图

文章介绍

Tie Jun Cui（崔铁军）, Shuang Zhang（张霜）, Andrea Alu, Martin Wegener, John Pendry, Jie Luo, Yun Lai, Zuojia Wang, Xiao Lin, Hongsheng Chen, Ping Chen, Rui-Xin Wu, Yuhang Yin, Pengfei Zhao, Huanyang Chen, Yue Li, Ziheng Zhou, Nader Engheta, V. S. Asadchy, Constantin Simovski, Sergei A Tretyakov, Biao Yang, Sawyer D. Campbell, Yang Hao, Douglas H Werner, Shulin Sun, Lei Zhou, Su Xu, Hong-Bo Sun, Zhou Zhou, Zile Li, Guoxing Zheng, Xianzhong Chen, Tao Li, Shi-Ning Zhu, Junxiao Zhou, Junxiang Zhao, Zhaowei Liu, Yuchao Zhang, Qiming Zhang, Min Gu, Shumin Xiao, Yongmin Liu, Xiaoyu Zhang, Yutao Tang, Guixin Li, Thomas Zentgraf, Kirill Koshelev, Yuri S. Kivshar, Xin Li, Trevon Badloe, Lingling Huang, Junsuk Rho, Shuming Wang, Din Ping Tsai, A. Yu. Bykov, Alexey V Krasavin, Anatoly V Zayats, Cormac McDonnell, Tal Ellenbogen, Xiangang Luo, Mingbo Pu, Francisco J Garcia-Vidal, Liangliang Liu, Zhuo Li, Wenxuan Tang, Hui Feng Ma, Jingjing Zhang, Yu Luo, Xuanru Zhang, Hao Chi Zhang, Pei Hang He, Le Peng Zhang, Xiang Wan, Haotian Wu, Shuo Liu, Wei Xiang Jiang, Xin Ge Zhang, Chengwei Qiu, Qian Ma, Che Liu, Long Li, Jiaqi Han, Lianlin Li, Michele Cotrufo, Christophe Caloz, Z.-L. Deck-Léger, A. Bahrami, O. Céspedes, Emanuele Galiffi, P. A. Huidobro, Qiang Cheng, Jun Yan Dai, Jun Cheng Ke, Lei Zhang, Vincenzo Galdi and Marco Di Renzo

通讯作者：

• 崔铁军，东南大学

研究背景：

有效操控和利用电磁波是现代信息科学发展的基石，人们一直在不懈寻求新手段来实现该目的，但目前依然面临诸多挑战。电磁超材料为攻克上述难题提供了新途径。近三十年来，电磁超材料和超表面蓬勃发展，从等效媒质超材料、二维超表面的物理和应用、人工表面等离激元超材料到信息超材料及时空调制超材料的研究历程，不仅为电磁场与电磁波调控提供了新物理机制和有效手段，而且为信息科学和技术发展提供了新动力和新源泉。在相关研究中，人们需要系统地了解电磁超材料和超表面发展的各个分支领域，并进一步洞悉其现状和挑战。作者希望通过发表本研究路线图，能够激发电磁超材料和超表面领域研究的新想法和新思路，并为超材料领域相关研究人员提供一些指导与帮助。

研究内容：

2024年7月31日，Journal of Physics: Photonics期刊正式上线了论文《Roadmap on electromagnetic metamaterials and metasurfaces》,该论文为电磁超材料和超表面的研究路线图（图1），近百位来自电磁超材料和超表面各个分支领域的著名专家和学者对等效媒质超材料、电磁超表面的物理与应用、人工表面等离激元超材料、信息超材料和超表面、以及时空调制超材料等进行了全面概述，并阐明了该领域的未来发展趋势和研究路线图，图2给出了该论文的目录。

在早期研究中，基于等效媒质的三维电磁超材料实现了多种全新的物理现象和功能器件，包括负折射、完美透镜、超透镜以及隐形斗篷等。超表面是超材料的二维（超薄）形式，在操纵电磁场与电磁波方面体现了前所未有的能力，且具有剖面低、加工简便等优势，其在界面上调控电磁波前的示意图如图3。人工表面等离激元超材料（图4）基于其独特的电磁模式在微波与太赫兹电路、传感和无线通信中展现了众多潜在应用。数字编码及可编程超材料将电磁波物理世界和数字世界融为一体，既为实时和智能地调控电磁波提供了新方法和有效手段，又进一步发展出信息超材料和信息超表面，将物理科学和信息科学连接起来，实现了物理层的信息直接调制与实时处理，其核心思想如图5所示。时空调制超材料和超表面是该领域的最新分支，能够在空间域和时间域同时调控电磁场与电磁波，具有丰富的物理内涵和应用前景。

该研究路线图论文向我们展示了电磁超材料和超表面研究领域取得的重要进展，从微波段到可见光频段，在基础科学和工程应用方面都面临着令人兴奋的机遇和挑战。与通常综述论文相比，该研究路线图论文在全面梳理相关科学进展和技术突破的同时，还对该领域未来的科学研究进行了预测并指明了发展方向。

图1 JPhys Photonics研究线路图——电磁超材料与超表面

图2 电磁超材料和超表面研究路线图的论文目录

图3 二维超表面对空间波和表面波的调控示意图

图4 人工表面等离激元超材料从三维到二维超薄的演进

图5 模拟超材料、数字超材料到数字编码超材料、信息超材料的演进

作者介绍

• 2023年影响因子：4.6  Citescore: 10.7
• JPhys Photonics（JPPHOTON）是一本新出版的开放获取期刊，面向物理学中应用于光子学各个领域的高质量研究。期刊包含光子学研究中最重要和最激动人心的进展，着重关注跨学科和多学科的研究。涵盖领域包括：生物光子学和生物医学光学；能源和绿色技术应用，包括光伏；成像、检测和传感；光物质相互作用；光源，包括激光器和LED；纳米光子学；非线性和超快光学；光通信和光纤；光数据存储；光电子学、集成光学和半导体光子学；光子材料、超材料和工程结构；等离子体技术；传播，相互作用和行为；量子光子学和光学等。