清華新聞網(wǎng)8月23日電 NZI媒質(zhì)是指介電常數(shù)接近零或磁導(dǎo)率接近零的媒質(zhì)。2020年西班牙納瓦雷公立大學(xué)博士伊涅格·里博洛（Inigo Liberal）發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上的論文，首次從理論上預(yù)測(cè)了NZI媒質(zhì)中存在理想電磁流體的現(xiàn)象，即電磁場(chǎng)能量流動(dòng)與理想流體的流動(dòng)是相同的，呈現(xiàn)無(wú)旋無(wú)散的傳播特性。
圖1：理想電磁流體觀(guān)測(cè)的系統(tǒng)與方法：（a）實(shí)驗(yàn)測(cè)試的系統(tǒng)架構(gòu)（b）實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)實(shí)物圖（c）重建中心平面電磁場(chǎng)的計(jì)算流程
8月12日，清華大學(xué)電子工程系副教授李越課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表了題為“理想電磁流體的直接觀(guān)測(cè)”（DirectObservation of Ideal Electromagnetic Fluids）的研究論文，首次在近零指數(shù)（Near-Zero-Index，NZI）媒質(zhì)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到電磁波呈現(xiàn)理想流體的傳播特性，即驗(yàn)證了理想電磁流體的存在。此發(fā)現(xiàn)為低損耗、可形變的NZI器件提供了理論可能性，在電磁學(xué)與流體力學(xué)的交叉研究領(lǐng)域具有重要的理論意義。
本研究以波導(dǎo)等效的低損耗NZI媒質(zhì)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：首先提出了一種測(cè)量波導(dǎo)內(nèi)部電磁場(chǎng)分布的方法，如圖1所示，通過(guò)探針測(cè)量表面的磁場(chǎng)，然后通過(guò)理論計(jì)算重建出波導(dǎo)中心平面上的電磁場(chǎng)分布以及坡印廷矢量分布；之后基于此方法對(duì)NZI媒質(zhì)中的電磁能流進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，結(jié)果如圖2所示，驗(yàn)證了在NZI媒質(zhì)中電磁能量流動(dòng)無(wú)渦旋和無(wú)發(fā)散，證實(shí)了低損耗理想電磁流體的存在。NZI媒質(zhì)中存在的理想電磁流體現(xiàn)象表明，電磁波在NZI媒質(zhì)中傳播可以繞過(guò)任意的障礙物，而非像一般媒質(zhì)一樣被障礙物散射或形成渦旋。這一性質(zhì)說(shuō)明NZI媒質(zhì)可以降低復(fù)雜形狀通道對(duì)電磁波的損耗，為低損耗、可形變的NZI器件提供了理論基礎(chǔ)。
圖2：電磁能量流動(dòng)的仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：（a）NZI媒質(zhì)中的仿真結(jié)果，（b）NZI媒質(zhì)中的實(shí)測(cè)結(jié)果，（c）一般媒質(zhì)中的仿真結(jié)果，（d）一般媒質(zhì)中的實(shí)測(cè)結(jié)果
本研究的理論和實(shí)驗(yàn)工作均在清華大學(xué)完成，清華大學(xué)電子工程系為論文第一單位。李越、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)電氣與系統(tǒng)工程系教授納德·恩赫塔（Nader Engheta）和西班牙納瓦雷公立大學(xué)博士伊涅格·里博洛（Inigo Liberal）為論文通訊作者，電子工程系2018級(jí)博士生李昊為文章第一作者。其他作者包括清華大學(xué)電子工程系2017級(jí)博士畢業(yè)生周子恒、2019級(jí)博士生孫旺宇，以及比利時(shí)那慕爾大學(xué)博士邁克爾·洛貝特（Micha?l Lobet）。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（62022045）、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心和電子工程系自主科研項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32187-2
供稿：電子工程系
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：陳曉艷
審核：郭玲
