南京大学冯一军教授团队：多功能和可重构超表面及其应用
南京大学冯一军教授团队：多功能和可重构超表面及其应用
超材料和超表面是21世纪以来物理、材料、信息等科学领域的前沿研究热点。南京大学冯一军教授团队在该领域持续研究二十多年，取得了一系列重要成果。近日，团队出版了《多功能和可重构超表面及其应用》一书，系统总结了他们在电磁超表面领域的研究成果。
超材料是以人工结构功能单元通过特定空间序构形成的具有突破性、颠覆性宏观性能的材料，已成为21 世纪以来物理、材料、信息等科学领域的前沿研究热点。在电磁信息科学及工程应用领域，人工电磁超材料由于其对电磁波的超常调控能力，也在不断提升甚至是颠覆传统的电磁信息探测、传输、处理、重现技术，展现出良好的应用前景。作为超材料的二维形式，由亚波长功能单元在平面或曲面内以特定序构形式构成的电磁超表面，既突破了传统媒质电磁参数的局限性，又大大缩小了媒质厚度尺寸，使电磁波调控器件的发展更加趋于小型化、平面化、共形化、多样化，进一步拓展了电磁波的调控手段和方法，成为当前电磁超材料研究的主要内容和发展方向。
2001 年我应邀赴加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学系进行访问研究，主要开展低温超导计算机中超导电路和半导体数字电路接口的相关技术研究。访问期间，我想借机了解一下国际上电子科学技术，特别是电磁科学与微波技术的一些前沿领域及未来发展方向。刚好，我指导的一位硕士研究生刘雷(现为美国圣母大学副教授)，从南京大学毕业后赴加州大学洛杉矶分校深造，当时正师从Tatsuo Itoh 教授攻读博士学位，他向我介绍了他正在开展的研究方向——“左手材料和左手传输线理论及其微波器件和电路应用”。这是我第一次接触到左手材料(left-handed material) 及超材料的概念，感觉非常新奇。超材料的概念似乎打开了古老电磁科学研究的一扇窗户，有许多与之相关的奇特物理性质和潜在的技术应用等待深入地探索和研究。一年后回国，我便在南京大学开始了左手材料以及后续电磁超材料的相关研究工作，当时国内的相关研究还非常少，我们也算是国内较早开展电磁超材料研究的团队之一。
在电磁超材料的研究上，我们从当初的左手材料及左手传输线结构，到后来的超材料、变换光学及超表面，再到近年的多功能及可重构超表面及其应用，二十多年的持续研究和探索取得了一些有意义的研究成果，也一直得到国家973 计划、科技部国家重点研发计划、教育部重大科研项目、国家自然科学基金委重大项目、重大研究计划和面上项目等项目的大力支持。
作为超表面设计的重要组成部分，多功能超表面和可重构超表面吸引了越来越多科研工作者的关注。多功能、可重构超表面也因其极具吸引力的潜在应用前景而被寄予了厚望。但目前少有对微波频段多功能超表面和可重构超表面设计进行系统、全面阐述的专业书籍。适逢中国材料研究学会超材料分会组织撰写和出版“超材料前沿交叉科学丛书”，我们着重将近年来在多功能及可重构电磁超表面方面的研究工作进行了总结和梳理，撰写成《 》（冯一军, 陈克著. 北京 : 龙门书局, 2024. 9）一书，汇集了我们研究团队及指导的研究生近年在电磁超表面领域的研究成果。
全书内容包括三个部分。
第一部分首先介绍电磁超表面的概念和发展现状，进而重点从电磁波幅度、相位、极化、方向等基本属性以及传输状态(透射、反射等) 的有效调控出发，对多功能超表面的设计方法和实现方案进行了详细的阐述，包括极化复用、方向复用和频率复用多功能超表面技术。这部分内容体现在本书的第1∼4 章。
第二部分主要介绍可重构电磁超表面，对可重构超表面的一般调控机制和设计方法进行了详细的阐述，通过一系列设计实例，介绍了动态吸收电磁波的可重构超表面吸波器、极化和空间复用相结合的可重构多功能超表面、时空调制超表面、可共形低散射超表面，以及机械可重构超表面的设计方法和电磁功能分析验证。这部分内容体现在本书的第5∼7 章。
第三部分主要介绍了可重构超表面在无线通信领域中的应用探索，包括基于可重构超表面的新体制无线通信系统相关研究工作，也探讨了智能表面对无线通信系统性能的提升和扩展。这部分内容体现在本书的第8 章。最后，在第9 章中展望了超表面的后续发展、研究方向和应用前景。
本书80％以上的内容都是来自我们团队的研究成果，除了署名的作者外，团队的姜田教授、赵俊明教授也对本书的撰写给予了许多指导，许多研究生参与了本书初稿的材料收集、绘图和文字撰写，他们是张娜博士、郑依琳博士、宁静博士、胡琪博士、杨维旭博士，以及博士研究生屈凯、董淑芳、吴宗桓、唐奎、王少杰等。许多研究成果已经在国内外学术期刊上发表，包括Advanced Materials、Laser and Photonics Reviews、Advanced Optical Materials、Physical Review Applied、Applied Physics Letters、Optics Express、IEEE Transactions on Antennas and Propagation 等。
本书的相关研究工作得到了科技部国家重点研发计划(2017YFA0700201)、国家自然科学基金委重大研究计划(91963128) 和面上项目(62271243, 62071215)、江苏省重点研发计划项目(BE2023084) 的资助，在此表示衷心的感谢。
本书从多功能及可重构超表面的设计原理出发，具体阐述了极化复用、方向复用和频率复用等多种技术的实现途径，以及可重构超表面设计中的关键技术，结合作者及其团队的近期研究成果，系统性地归纳总结了目前的发展状况及其应用探索，最后总结探讨了这类超表面的后续发展趋势，为电磁超表面的实际应用奠定了基础。
本书可作为电子科学与技术、物理学、通信工程、材料科学与工程等专业博士、硕士研究生、高年级本科生相关课程的教材，也可作为从事相关工作的科研人员、工程技术人员的参考书。