电子系李越课题组实现对理想电磁流体的直接观测

NZI媒质是指介电常数接近零或磁导率接近零的媒质。2020年西班牙纳瓦雷公立大学博士伊涅格·里博洛(Inigo Liberal)发表在《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上的论文，首次从理论上预测了NZI媒质中存在理想电磁流体的现象，即电磁场能量流动与理想流体的流动是相同的，呈现无旋无散的传播特性。

图1：理想电磁流体观测的系统与方法：(a)实验测试的系统架构(b)实验测试平台实物图(c)重建中心平面电磁场的计算流程

8月12日，清华大学电子工程系副教授李越课题组在《自然·通讯》(Nature Communications)发表了题为“理想电磁流体的直接观测”(DirectObservation of Ideal Electromagnetic Fluids)的研究论文，首次在近零指数(Near-Zero-Index，NZI)媒质中通过实验观测到电磁波呈现理想流体的传播特性，即验证了理想电磁流体的存在。此发现为低损耗、可形变的NZI器件提供了理论可能性，在电磁学与流体力学的交叉研究领域具有重要的理论意义。

本研究以波导等效的低损耗NZI媒质为实验平台进行实验验证：首先提出了一种测量波导内部电磁场分布的方法，如图1所示，通过探针测量表面的磁场，然后通过理论计算重建出波导中心平面上的电磁场分布以及坡印廷矢量分布;之后基于此方法对NZI媒质中的电磁能流进行实验观测，结果如图2所示，验证了在NZI媒质中电磁能量流动无涡旋和无发散，证实了低损耗理想电磁流体的存在。NZI媒质中存在的理想电磁流体现象表明，电磁波在NZI媒质中传播可以绕过任意的障碍物，而非像一般媒质一样被障碍物散射或形成涡旋。这一性质说明NZI媒质可以降低复杂形状通道对电磁波的损耗，为低损耗、可形变的NZI器件提供了理论基础。

图2：电磁能量流动的仿真与实验测试结果：(a)NZI媒质中的仿真结果，(b)NZI媒质中的实测结果，(c)一般媒质中的仿真结果，(d)一般媒质中的实测结果

本研究的理论和实验工作均在清华大学完成，清华大学电子工程系为论文第一单位。李越、美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系教授纳德·恩赫塔(Nader Engheta)和西班牙纳瓦雷公立大学博士伊涅格·里博洛(Inigo Liberal)为论文通讯作者，电子工程系2018级博士生李昊为文章第一作者。其他作者包括清华大学电子工程系2017级博士毕业生周子恒、2019级博士生孙旺宇，以及比利时那慕尔大学博士迈克尔·洛贝特(Michaël Lobet)。本研究得到了国家自然科学基金(62022045)、北京信息科学与技术国家研究中心和电子工程系自主科研项目的资助。

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