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最大的乐趣在于发现——记国家自然科学二等奖获得者崔铁军团队
发布时间: 2017-12-01                    访问次数: 60


“隐身衣、人造黑洞……”这些存在于科幻小说中的事物,如今在中国科学家的手中正一步步迈向现实。1月9日,从国家科学技术奖励大会现场传来佳音:东南大学2014年度科技成果再获全面丰收,囊括五项国家科技奖。其中,教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、东南大学毫米波国家重点实验室副主任、信息科学与工程学院崔铁军教授领衔的研究项目“新型人工电磁媒质对电磁波的调控研究”荣获国家自然科学二等奖。该研究在国家自然科学基金重大项目等资助下,深入探究了人工媒质对电磁波的调控理论、结构设计、实验验证及实际应用,其核心是通过等效媒质理论,用人工的方法形成材料结构来控制电磁波,由此实现某些特定性能,为社会带来前瞻性的应用,隐身功能、电磁黑洞等都在其中。

核心解读:人工电磁媒质

在日常生活中,我们能够看得见摸得着的自然界的材料,如桌椅、空气等由分子和原子构成,它们的属性是受限的,因其受限属性,很多功能就无法实现,而崔铁军团队致力于通过提出一个等效媒质理论用人工的方法实现某种新的材料结构,形成一种新型的人工电磁媒质。崔铁军形象地解读道,“举个很简单的例子,光在空气这种均匀媒质中沿直线传播,因此我们可以看见彼此。而如果我们构造一种人工媒质,光穿过这种媒质的时候可以沿曲线传播,绕过你,那么我就看不到你了,从而实现隐身效果。不仅是光,电磁波、红外线等也是同样道理。通过构造具有一定特性的人工媒质,我们就有可能实现各种新奇特性。”崔铁军的团队正致力于这样的人工电磁媒质的理论与实践的探究。在电磁领域通过定制这样的人工电磁媒质的属性,就可以打破自然界的受限性,而运用这样的媒质控制电磁波,实现一些特定性能,就可以为我们的社会带来极高的应用价值。

实现第一个三维“隐身衣”

“隐身衣”是崔铁军团队的重要科研成果之一,其准确名称叫做“三维微波段地面隐身衣”。早在二十世纪六十年代,国际科学界就出现了对于一种神奇媒质的畅想,到了2000年左右,有科学家观察到产生负折射率的媒质,2006年美国杜克大学构造出了隐身衣,但是频段相对还比较窄。自2004年以来,崔铁军团队一直在思考如何制造宽频段、低损耗的新型人工电磁媒质,并围绕这一瓶颈做了很多攻关工作,最终实现了宽带低损耗的人工媒质。崔铁军研究组与美国杜克大学史密斯教授研究组合作,在“隐身衣”研究上实现了新的突破,研制出微波段地面目标的二维宽带隐身衣。2009年1月15日Science(《科学》杂志)发表了他们的研究成果,这标志着“隐身衣”终于从理论成为了现实。2010年,崔铁军研究组和一个德国/英国研究组相互独立地在世界上首次研制出三维隐身衣原型,并发表于2010年6月的NatureCommunications(《自然通讯》杂志)。至此,隐身衣出现在了三维的世界。相对于德国/英国的研究组仅适用于特定极化、以一定角度入射的三维光波段“地面隐身衣”,崔铁军团队的三维隐身衣具有宽带、低损耗、隐身效果好等优点,适用于不同极化、任意方向入射的电磁波,可以对地面目标在微波段进行全方向、宽频带的隐身。

研制突破传统的新型扫描天线

物理学家R.K.Luneberg于1944年基于几何学法提出了龙伯透镜的概念,这是一种能够将点源发射出的球面波转换为平面波进行辐射,并通过改变点源在球形表面不同位置实现平面波束辐射扫描功能的透镜。然而,传统的三维龙伯透镜的形状都为球形,平面馈源或平面接收阵列很难与之兼容。崔铁军团队突破传统观念,在国际上首次研制成了具有平坦聚焦面的三维变形龙伯透镜,并通过一系列实验证明了其频带宽、损耗小、增益高、副瓣低、双极化、无相差、辐射角度大等优点,大大增强了扫描天线的探测性,其整体性能远优于同口径的传统天线,具有重要的理论意义和工程价值。基于此,崔铁军项目组研制了高性能的新型扫描天线,并在多领域获得了应用。

打造第一个人工电磁黑洞

黑洞是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种超高密度天体,由于类似热力学上完全不反射光线的黑体,故名为黑洞。其实,基于引力场的真实黑洞很难用实验来验证,而崔铁军项目组应用电磁波在非均匀媒质中的传播轨迹类比于物质在引力场下弯曲空间中的运动轨迹,揭示了真实黑洞的部分性质,实验结果与理论分析、数值仿真相吻合。
  人工电磁黑洞的核心还是使用新型人工电磁媒质控制电磁波。据介绍,超常介质材料黑洞并不像引力黑洞那样的贪婪和无情,这种针对电磁波定向设计的人造黑洞并不具备吞噬周围其他物质的能力。因为我们的空间里到处存在携带能量的电磁波,如果可以有一个装置吸收电磁波,并将其转化为有用的能量,那么这种应用就非常有意义。该研究入选NewJournalofPhysics(《新物理学期刊》)2010年度最佳论文。而新型人工电磁媒质领域的先驱者之一、美国科学院院士JohnPendry(约翰﹒潘德瑞)爵士曾在Nature(《自然》杂志)、ScientificAmerican(《科学美国人》杂志)上对该工作给予了高度评价。
  最大的乐趣在于发现

隐身衣、龙伯透镜、电磁黑洞等这一系列引人注目成果的背后,是一支专注前沿、潜心研究的精英团队。团队由崔铁军和他的学生们组成,共有七名教师,其中,除了崔铁军和程强博士,剩下五人都是“80后”(马慧锋、蒋卫祥、汤文轩、鲍迪、万向)。崔铁军对这支年轻团队的定位是“顶天立地”,所谓“顶天”,是要求团队的研究应不断创新,走在时代最前沿,与国际最前沿的研究接轨,而所谓“立地”,则要求团队的研究成果能够产生实际的应用意义,做就做接地气的研究!
  33岁的年轻副教授马慧锋坦诚地说道,“最开始从硕士阶段跟着崔老师做研究的时候觉得太理论了,常常怀疑每天在实验室做这样的研究究竟值不值,后来在崔老师的耐心指导下入了门,渐渐发觉自己深深爱上了这个研究方向,我们项目组最大的乐趣是总有新的东西被发现,而我们最终的目标则是把抽象的理论应用于实际之中,让我们的研究成果能够切实为社会发展做贡献!”
  目前,国内外很多研究团队都瞄准了新型人工电磁媒质这一领域的广阔前景,该领域作为一个新的研究方向也不断有新的研究成果出炉。然而,从实现三维“隐身衣”,打造第一个人工电磁黑洞,到推动新型人工媒质在微波段的工程应用,崔铁军团队一直走在该领域的国际前沿。(吴婵)


本文原载于《东南大学报》2015年3月10日 总第1275期 第5版