什么是“超構(gòu)材料”？通俗地說，“超構(gòu)材料”就是一類由人工設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料，具備天然材料所不具備或難于實(shí)現(xiàn)的物理特性。將“超構(gòu)材料”創(chuàng)造性地引入真空電子器件，可以充分利用其亞波長(zhǎng)、強(qiáng)局域諧振等特性，為器件實(shí)現(xiàn)小型化、高功率、高效率提供了一種新路徑。
自2007年起，電子科學(xué)與工程學(xué)院段兆云教授研究小組在王文祥教授、宮玉彬教授、鞏華榮教授團(tuán)隊(duì)的大力支持和幫助下，深耕超構(gòu)材料與真空電子學(xué)交叉前沿，聚焦超構(gòu)材料基礎(chǔ)理論及其在真空電子器件中的應(yīng)用研究，歷經(jīng)18年攻堅(jiān)克難，取得了一系列原創(chuàng)性成果，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)理研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到工程應(yīng)用的關(guān)鍵突破，開辟了我國(guó)在小型化高功率真空電子器件領(lǐng)域的自主創(chuàng)新之路，標(biāo)志著由“并跑”向“領(lǐng)跑”的重大跨越。
從物理機(jī)理到實(shí)驗(yàn)觀測(cè)：反向切倫科夫輻射首次“顯露真容”
在超構(gòu)材料基礎(chǔ)理論研究方面，段兆云教授研究小組聚焦反向切倫科夫輻射這一新奇電磁特性，系統(tǒng)開展了各向異性超構(gòu)材料在無界、半無界及有界環(huán)境中激發(fā)反向切倫科夫輻射的理論分析。
圍繞其輻射條件、色散特性、輻射方向及相干調(diào)控機(jī)制，研究小組建立了精確的物理模型，在Journal of Applied Physics（104(6), 063303, 2008）等期刊發(fā)表多篇研究論文。
為了觀測(cè)反向切倫科夫輻射，研究小組創(chuàng)造性地提出了兩種適用于真空環(huán)境的全金屬超構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)——圓形與平板型互補(bǔ)電開口諧振環(huán)，分別適應(yīng)于圓形注和帶狀注真空電子器件。
相較傳統(tǒng)介質(zhì)加載型超構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)具備強(qiáng)導(dǎo)熱、較低損耗、高真空度等優(yōu)勢(shì)，為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)反向切倫科夫輻射奠定基礎(chǔ)。
圓形（左）、平板型（中）超構(gòu)材料單元結(jié)構(gòu)示意圖和傳統(tǒng)介質(zhì)加載型超構(gòu)材料（右）
據(jù)了解，國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)研究單位在開展反向切倫科夫輻射的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，其中包括美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。但是，由于他們未能提出適用于高真空環(huán)境的全金屬超構(gòu)材料，實(shí)驗(yàn)工作均未取得突破性進(jìn)展。
2015年，段兆云教授研究小組聯(lián)合麻省理工學(xué)院和倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院，終于構(gòu)建出基于平板型超構(gòu)材料單元的新穎互作用結(jié)構(gòu)和與之適配的同軸型高效信號(hào)耦合結(jié)構(gòu)，首次在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到反向切倫科夫輻射，驗(yàn)證了V. G. Veselago于1967年提出的理論。
該工作于2017年在Nature Communications期刊發(fā)表，填補(bǔ)了該領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)半世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)空白，標(biāo)志著該機(jī)理從理論走向?qū)嵶C。
反向切倫科夫輻射實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)和測(cè)試結(jié)果
新機(jī)理走進(jìn)新器件：反向切倫科夫輻射器件的跨越式突破
2015年，研究小組在Applied Physics Letters上提出反向切倫科夫振蕩器概念模型，并完成優(yōu)化設(shè)計(jì)，2022年成功研制樣管，并在Applied Physics Letters發(fā)表研究成果。
該器件采用圓形全金屬超構(gòu)材料單元構(gòu)建互作用結(jié)構(gòu)，橫向尺寸僅為自由空間波長(zhǎng)的1/3，在2.221GHz下實(shí)現(xiàn)10.16kW輸出功率，這標(biāo)志著超構(gòu)材料真空電子器件技術(shù)體系初步形成。
反向切倫科夫輻射振蕩器樣管和測(cè)試結(jié)果
2023年，研究小組提出首支具備雙端口同頻輸出能力的反向切倫科夫輻射放大器。模擬結(jié)果顯示，器件在2.286GHz下分別在兩個(gè)輸出端口實(shí)現(xiàn)307W與5.48kW功率輸出，總電子效率33.84%。該工作拓展了反向切倫科夫輻射機(jī)制在放大器方向的應(yīng)用維度，為構(gòu)建高效率多端口輸出的新型器件提供了思路。
從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没喝蚴字波段超構(gòu)材料速調(diào)管的華麗“首秀”
2020年，研究小組在IEEE Electron Device Letters期刊發(fā)表研究成果，提出并驗(yàn)證了S波段超構(gòu)材料擴(kuò)展互作用速調(diào)管互作用結(jié)構(gòu)。該器件兼具結(jié)構(gòu)小型化與高增益特性，腔體體積為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一半，在輸出功率56kW下實(shí)現(xiàn)電子效率62%。
三腔超構(gòu)材料擴(kuò)展互作用速調(diào)管模型和模擬結(jié)果
2022年，研究小組與昆山國(guó)力電子科技股份有限公司緊密合作，成功研制出全球首支S波段兆瓦級(jí)超構(gòu)材料速調(diào)管，成果發(fā)表于IEEE Electron Device Letters，并被選為該期封面論文。器件在2.852GHz下輸出功率達(dá)5.51MW，電子效率57.4%，從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了超構(gòu)材料在實(shí)現(xiàn)大功率速調(diào)管小型化與高效率方面的顯著優(yōu)勢(shì)，標(biāo)志著超構(gòu)材料真空電子器件技術(shù)體系正在邁向?qū)嵱没A段。
全球首支S波段兆瓦級(jí)超構(gòu)材料速調(diào)管樣管和測(cè)試結(jié)果
賦能“國(guó)之重器”：全球首支P波段超構(gòu)材料速調(diào)管整裝待發(fā)
研究小組聚焦中國(guó)散裂中子源（CSNS）工程中速調(diào)管體積大、重量重、效率低等技術(shù)瓶頸，力求在保障輸出功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)小型化與高效化運(yùn)行，依托在S波段超構(gòu)材料速調(diào)管研制中的成功經(jīng)驗(yàn)，與中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和昆山國(guó)力電子科技股份有限公司相關(guān)團(tuán)隊(duì)通力合作，經(jīng)過4年多的技術(shù)攻關(guān)，掌握P波段超構(gòu)材料速調(diào)管的制造、調(diào)試與高功率驗(yàn)證核心技術(shù)，成功研制出全球首支緊湊型P波段大功率超構(gòu)材料速調(diào)管樣管。
2025年6月7日，該器件在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部的中國(guó)散裂中子源園區(qū)完成測(cè)試并通過驗(yàn)收，峰值功率超3.0MW，脈寬650μs、重復(fù)頻率25Hz，在2.5MW條件下穩(wěn)定運(yùn)行48小時(shí)，關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)、中國(guó)散裂中子源二期工程總指揮王生高度評(píng)價(jià)：“P波段大功率速調(diào)管技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍”。
目前，該成果被新華社、央視網(wǎng)、新華網(wǎng)、中國(guó)新聞網(wǎng)等國(guó)家級(jí)主流媒體重點(diǎn)報(bào)道，全網(wǎng)累計(jì)點(diǎn)擊量超過1200萬次；《中國(guó)科學(xué)報(bào)》《科技日?qǐng)?bào)》《南方日?qǐng)?bào)》等權(quán)威報(bào)紙?jiān)陬^版刊發(fā)相關(guān)成果，《澳門日?qǐng)?bào)》等港澳媒體亦廣泛關(guān)注。該成果成為近年來真空電子器件領(lǐng)域最具代表性的技術(shù)突破。
全球首支緊湊型P波段大功率超構(gòu)材料速調(diào)管（左）；央視新聞客戶端報(bào)道截圖（右）
段兆云作為第一作者與MIT、新墨西哥大學(xué)、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校以及印度理工學(xué)院的學(xué)者共同在IEEE Transactions on Electron Devices等期刊發(fā)表綜述論文，總結(jié)了超構(gòu)材料在真空電子器件和加速器領(lǐng)域的研究進(jìn)展。研究小組共獲得相關(guān)授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利6件，美國(guó)發(fā)明專利4件。
為系統(tǒng)梳理研究成果、加強(qiáng)學(xué)術(shù)傳播，段兆云教授還出版了中文專著《超構(gòu)材料及新穎電磁輻射》（科學(xué)出版社，2023）與英文專著《Metamaterial-Based Electromagnetic Radiations and Applications》（Springer, 2024），全面涵蓋超構(gòu)材料基本原理、反向切倫科夫輻射與增強(qiáng)渡越輻射機(jī)理及器件設(shè)計(jì)方法，為該領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究與工程實(shí)踐提供了理論支撐與技術(shù)參考。
