超越单一物理场调控：综述论文阐述多物理场超材料研究进展与未来蓝图

副标题： 课题组发表综述，系统分类并展望可统一调控多种物理场的下一代超材料

  课题组硕士研究生张恒祥为论文的第二作者，在论文准备工作中做出了许多贡献。

张恒祥同学的研究方向为零空间介质和涡旋光束调控，其研究的零空间介质属于一种易于扩展至多物理场的超材料。

此外，本科生秦婉情和李东泽也参与了论文的修改工作。课题组两位老师为该论文的通讯作者。

  近日，课题组在期刊《Small Structures》上发表了题为《Multiphysics Metamaterials for Unified Control of Diverse Physical Fields》

（用于统一控制多种物理场的多物理场超材料）的长篇综述论文。

该论文首次系统性地对多物理场超材料领域进行了梳理，提出了多物理场超材料的分类框架，并探讨了其设计原理、应用前景及未来挑战，为该领域的未来发展绘制了路线图。

传统的超材料通常专注于调控单一类型的物理场，如电磁波或声波。

而多物理场超材料（Multiphysics metamaterials）代表了一项革命性的突破，

它能够通过一个单一的人工结构同时调控至少两种不同的物理场（如电磁、声学、热、静电等）。

这种能力为解决复杂系统中的兼容性难题（如电子器件的热管理与电磁屏蔽、潜艇的声呐与雷达协同隐身等）提供了创新的解决方案，

在航空航天、生物医疗、集成电路等领域具有极其广阔的应用前景。

在本综述中，研究团队基于物理场的控制方程，将多物理场超材料分为三大类：

1. 多物理场扩散超材料：用于同时调控由拉普拉斯方程描述的静态场（如静电场与热场）。

2. 多物理场波超材料：用于同时调控由亥姆霍兹方程描述的波场（如电磁波与声波）。

3. 多物理场混合超材料：用于同时调控波和扩散两种不同类型的物理现象（如电磁波与热流）。

  论文阐述了每一类超材料的设计方法论（如坐标变换法、有效介质理论、拓扑优化、结构杂化等），

还通过表格和插图总结了代表性研究成果及其功能（如双场隐身、双场集中、功能切换等）。

特别值得注意的是，课题组重点介绍了基于“零介质”（Null Medium）概念的统一设计方法，

该方法可被扩展用于设计能同时操控热流和电磁波的多物理场混合超材料，展现了极高的设计灵活性和集成潜力。

展望未来，论文指出多物理场超材料的发展将朝着调控功能多样化、物理场类型多元化、调控场数量增维化以及设计方法智能化的方向演进。

特别是人工智能与机器学习技术的融合，将极大加速新型多物理场超材料的逆向设计与优化过程。

论文信息：

Sun F., Zhang H., Liu Y., Qin W., Li D. Multiphysics Metamaterials for Unified Control of Diverse Physical Fields. Small Structures, 2025, 2500352.

DOI: 10.1002/sstr.202500352

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/sstr.202500352 

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该研究得到国家自然科学基金（12374277，12274317）和山西省自然科学基金（202303021211054）的支持。