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足球预测(www.99cx.vip):超构材料让波操纵应用往前垮了一大步,未来会呈现啥趋势?

admin 科技 2022-11-11 06:31:05 4 0

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据麦姆斯咨询介绍,英国知名研究公司IDTechEx在这份最新发布的研究报告中全面探讨了新兴的超构材料(Metamaterials)技术,基于对价值链上主要厂商的访谈,报告深入评估了光学和射频(RF)领域应用的超构材料技术和市场。


预计到2043年,在射频超构材料市场快速扩张的驱动下,光学和射频领域应用的超构材料市场规模将增长至87亿美元,复合年增长率(CAGR)预计可达32.9%。


按电磁波波长对超构材料细分


超构材料是怎么被发现的呢?有着怎样的发展历程?未来趋势如何?


超构材料的发展历程


超构材料是人工设计的结构,以自然界中看不到的方式与光和其他形式的能量相互作用,可以用来为操纵粒子定制指定的光场。与传统的光镊相比,超构光镊在功率、功能性、可调性和可扩展性方面具有优势。


现有的光学器件,无论是透镜、反射镜、还是偏振器等,都是由天然存在的材料制成的。由于这些材料的介电常数变化范围非常有限,所以传统的光学器件通常需要庞大的尺寸和扭曲的形状以及复杂的组合才能勉强满足使用者的需要。况且,天然材料通常缺乏磁响应而导致阻抗不匹配,因此工作效率往往较低。


随着科技尤其是纳米技术的进步,人们可以在原子层面上操纵材料。这为新型光学材料的发展带来了曙光。1999年,由美国德州大学的Rodger M. Walser教授提出了超构材料的概念(metamaterial)指代人工制造,周期性的三维复合材料。这类由具有特定电磁特性的亚波长人工微结构(人工原子)按一定的排列方式构建而成的三维人工复合材料,展现出了对电磁波的强大调控能力,实现了自然材料无法企及的众多奇异物理现象和功能性器件,通过仔细的结构调整,metamaterial原则上可以设计出任意介电常数ε和磁导率μ,因此产生了许多自然存在的材料无法实现的波操纵效果。


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虽然超构材料已经取得了辉煌的成果,但是人们并没有就此心满意足。在研究人员看来,超材料作为一种3D结构,还是过于复杂和厚重。光学材料应该还可以更薄,更高效。于是,超构表面的概念应运而生。简单来说,超构表面可以看作是3D超材料的2D版本,它是由平面亚原子构造而成的,这些原子以特定的顺序有目的地选择电磁响应。在工作原理上,超构表面与超构材料截然不同。通常3D 超构材料会通过操纵大体积介质内部的传播相位来实现某些波控制,但超构表面在很大程度上利用结构表面上的突变相变来传输或反射波。


由于要在纳米尺度上操纵材料的微结构,所以现有的超构表面制作过程通常耗时冗长且价格昂贵。研究人员们为了提高超构表面的性能同时降低成本,展开了很多研究。


未来趋势


尽管毫米波(mmWave)5G和最终的6G通信网络有望提供更快的网速,但它们仍面临高信号衰减的挑战。基于超构材料的可重构智能表面提供了一种解决方案,有望以低能耗实现广域覆盖。可重构智能表面可以反射信号,甚至有望直接将信号引导到终端用户,从而增加信号覆盖范围和强度。基于超构材料的涂层还可以嵌入窗户,以反射障碍物周围的波束,从而更好地实现城市信号覆盖。这些涂层可以很容易地整合到现有材料表面,从而提供巨大的材料机遇。


超构材料波束成形雷达对比非超构材料雷达技术


另一个新兴应用是雷达(RADAR)中基于超构材料的波束成形。这可以实现比传统雷达更高的分辨率。雷达分辨率正是当前汽车行业的关键需求之一,自动驾驶的“东风”有力推动了新兴材料的市场应用。


随着基于超构材料的透镜开始商业化,频谱的另一端也出现了重大发展。与传统透镜相比,超构透镜(Metalens)具有更小的外形尺寸,同时仍能保留甚至有潜力提供更高的光学性能,其中,追求外形尺寸的智能手机是一个重要的目标市场。与传统半导体制造技术的兼容性进一步确保了其可扩展性,简化的供应链有望进一步降低成本。




来源:麦姆斯咨询,AIP美国物理联合会,中国光学

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