[论文解读] An electromagnetic black hole made of metamaterials

Qiang Cheng, Tie Jun Cui+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2009

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 24被引用 24

一句话总结

该论文通过非共振I型和共振ELC超材料，在微波频段实验实现了电磁黑洞，利用仿照弯曲时空的折射率分布，从各个方向捕获并吸收入射电磁波。该装置实现了99%的吸收效率，验证了理论预测，并为能量收集和热辐射应用提供了可能。

ABSTRACT

Traditionally, a black hole is a region of space with huge gravitational field, which absorbs everything hitting it. In history, the black hole was first discussed by Laplace under the Newton mechanics, whose event horizon radius is the same as the Schwarzschild's solution of the Einstein's vacuum field equations. If all those objects having such an event horizon radius but different gravitational fields are called as black holes, then one can simulate certain properties of the black holes using electromagnetic fields and metamaterials due to the similar propagation behaviours of electromagnetic waves in curved space and in inhomogeneous metamaterials. In a recent theoretical work by Narimanov and Kildishev, an optical black hole has been proposed based on metamaterials, in which the theoretical analysis and numerical simulations showed that all electromagnetic waves hitting it are trapped and absorbed. Here we report the first experimental demonstration of such an electromagnetic black hole in the microwave frequencies. The proposed black hole is composed of non-resonant and resonant metamaterial structures, which can trap and absorb electromagnetic waves coming from all directions spirally inwards without any reflections due to the local control of electromagnetic fields and the event horizon corresponding to the device boundary. It is shown that the absorption rate can reach 99% in the microwave frequencies. We expect that the electromagnetic black hole could be used as the thermal emitting source and to harvest the solar light.

研究动机与目标

• 通过超材料实验实现一种电磁黑洞，其吸收行为模仿引力黑洞。
• 展示来自各个方向的电磁波可通过设计的非均匀超材料螺旋捕获并吸收，无反射。
• 通过全波仿真与近场测量，验证微波频段光学黑洞的理论预测。
• 探索基于高效波吸收的太阳能收集与热辐射源的实际应用。

提出的方法

• 设计具有非共振I型和共振ELC单元的径向非均匀超材料结构，以实现模拟引力透镜效应的梯度折射率分布。
• 利用力学与光学之间的哈密顿-雅可比方程与费马原理类比，推导出引导波向核心传播的有效折射率分布。
• 通过精确几何控制的平面超材料层制造电磁黑洞，以实现所需的等效介电常数与磁导率。
• 利用平面波导近场扫描系统测量内部电场，以验证波的捕获与吸收。
• 将实验结果与全波数值仿真结果进行比较，利用坡印廷定理计算吸收率。
• 将吸收率定义为 η = P_absorb / P_in，其中 P_absorb 由复坡印廷矢量的曲面积分计算得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在微波频段通过超材料实验实现高吸收效率的电磁黑洞？
• RQ2 实验中的波捕获与吸收结果与理论预测及数值仿真结果的吻合程度如何？
• RQ3 该装置对来自不同角度及不同类型波束（如高斯光束、平面波、单极子激励）入射的电磁波吸收程度如何？
• RQ4 电磁黑洞能否作为太阳能或热辐射应用中的高效能量收集器？

主要发现

• 对于中心入射的高斯光束，实验吸收率达到99.94%；对于偏离中心的入射，吸收率为98.72%，表明近乎完美的波吸收。
• 在垂直入射且使用单极子探针时，实测吸收率为99.55%，与仿真值高度一致，证实了高效率。
• 在25°斜入射条件下，波被观察到螺旋状弯曲进入核心并被强烈吸收，与仿真结果一致。
• 在平面波入射条件下（模拟太阳光），吸收率为99.12%，几乎所有入射波均被捕获且无透射，形成完整阴影。
• 该装置对边界外电磁场的扰动极小，表明实现了局域化的波控制。
• 实验测量结果与全波仿真结果高度一致，证实了超材料设计与理论模型的有效性。