我们之前已经在一篇综述中讨论了超材料在透镜设计和光学隐形中的应用（Metamaterials and their Optical Applications : Cloaking and Superlenses，超材料及其光学应用：隐形和超透镜），但超材料应用领域远不止于此。今天，让我们深入探讨超材料在信号和通信中的应用 — — 包括声学与光学。通过不同类型和结构的超材料，可以实现多功能性用途。特定的材料和结构类型非常适合这些应用领域。超材料的特殊之处在于，它们可以在亚波长水平上实现。超材料可以根据其介电常数和磁导率进行分类。当介电常数和磁导率均为正值时，该材料称为双正材料。如果介电常数为负，磁导率为正，则材料为ε负。具有正介电常数和负磁导率的材料称为µ - 负。负介电常数和负磁导率材料都被称为双负材料。双负材料不是自然产生的。双负材料表现出与预期相反的物理性质。例如，压缩双负材质将导致其膨胀。通常会会聚的透镜设计，如果由双负材料制成，就会发散。当介电常数和磁导率均为负值时，在较小的频率范围内会发生共振。
超材料的一个优点是其规模。由于它们工作在亚波长/纳米级，因此可以在同等（如果不是更高）效率的情况下使器件小型化。其中一个应用是超材料天线系统。通过使用超材料，天线可以主动弯曲无线电波。这将产生更高的效率和速度。超材料物质还可以提高传输速率，并引导传输信号。这使得能够创建定向的高增益天线。
超材料可以通过使用人造磁导体(AMC)和高阻抗表面(HIS)来增强天线功能。AMC中，超材料通常以一种策略性地引导辐射信号的方式定位。AMC的目的是接近完美磁导体的性能。超材料也可用于天线结构本身。可以设计超材料结构以匹配天线的谐振频率。通常，为此将使用μ负材料。这导致更高的增益和更高的效率。增加增益的另一种选择是在与其他辐射天线元件的优化距离处添加超材料基板层。
这些类型的天线在500 MHz至60 GHz范围内工作。使用全息天线，信号可以在更远的距离上获得比传统天线更高的增益。全息阵列比传统天线的定向简单得多。某些类型的基于超材料的天线完全通过软件、开关和/或对阵列进行直流偏置来控制。信号方向性可在微秒内调整。这是一种比普通方式更简单、更快、更紧凑的天线波束控制方式。全息超材料天线不需要通过动态改变无线电模式来改变相移的附加设备。所有这些都使天线更轻、更薄、更便宜、效率更高。全息天线的工作频率和传输范围为更广泛的5G网络提供了可能性。在某些情况下，全息天线也可能取代光纤电缆。
之前没有提到的一种超材料是声学超材料。声学超材料的不同之处在于，它们的设计是为了交互和操纵声子而不是光子的通过。声学超材料用于放大或衰减不同的频率。声学超材料往往是双负介质。双负声学超材料具有负质量密度和负体积模量。这使材料具有负折射率。
铜质开口环声谐振器和安装在玻璃纤维电路板互锁板上的电线
操纵声波的潜在优势并未绕过国防工业。虽然之前提到隐身是针对可见范围内的电磁波，但据推测，没有理由不能将隐身扩展到声波，更具体地说，扩展到声纳通常使用的声波范围。
杜克大学的研究人员考虑了一项关于“隐形”潜艇的建议。超材料外壳将改变这些波的方向，而不是反射声纳发出的信号。重新定向信号将阻止它们返回，从而表明不存在障碍物（或潜艇）。无论出于何种目的，这都将使潜艇无法被发现。与可见光范围内的斗篷非常相似，人们发现声学斗篷装置只能在二维空间工作。这意味着，当且仅当深度相同时，声学超材料斗篷才能将一艘潜艇与另一艘发出声纳的潜艇遮挡。他们的研究还假设周围的介质是不同密度的水，这取决于方向，这对海洋建模很差。在声学隐身扩展到三维之前，还需要做更多的工作。
声学超材料的另一个应用是在航空航天工业中。感兴趣的领域包括制造噪音更小的飞机。这将使飞机上的乘客和飞行航线下方的社区都受益。最终目标是减少飞机造成的总体噪音污染。使用超材料进行降噪设计最受关注的区域是靠近发动机（如果不是发动机部件）和机翼部分的区域。研究表明，制造用于吸收发动机油箱100 - 1000 Hz范围内噪音的超材料衬垫将是最有效的解决方案之一。建议的设计包括使用共振来抑制噪音的薄膜，另一种使用蜂窝结构，还有一种使用超材料线圈设计来吸收声波。目前，设计仍处于建议和测试阶段，尚未付诸实践。原文来源于FindLight网站。你还熟悉哪些超材料或应用？欢迎在本公众号文章下方留言和发表评论。
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