Thermally reconfigurable Rubik’s-cube-inspired V–VO₂ hyperbolic metamaterial absorber for dual-band absorption and spectral coding
本文提出了一种具有类魔方对称设计的热可重构 V–VO₂ 双曲超构材料吸收体，该设计在 16–40 GHz 范围内实现了稳定的双频宽带吸收，并通过对 K 波段和 Ka 波段单元的独立热切换实现了 2 位光谱编码。
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在雷达和无线通信的隐形世界中，物体的定义往往不在于它们发射了什么，而在于它们反射了什么。当雷达波束击中一个表面时，一部分能量会反弹回来，从而揭示物体的存在，而其余的能量则会被吸收或散射。对于军事隐身而言，目标是如此彻底地“吞噬”这些入射波，以至于物体从雷达屏幕上消失。然而，对于通信和识别而言，目标则相反：即精确控制反射能量的多少以及反射的时机，将一个被动物体转变为可以携带信息的信号。由于大多数吸收性能良好的材料仅在单一且狭窄的频率范围内有效（就像调频收音机只能接收到一个电台），实现宽频带吸收与精确控制是非常困难的。为了在现代雷达和安全成像所使用的多种频率范围内工作，工程师必须设计出能够同时捕捉多种不同尺寸波长的结构，且在入射波角度发生变化时仍能保持效能。
哈尔滨工业大学的一个研究小组提出了一种解决这一问题的新方法，该方法结合了两个截然不同的概念：一种模仿魔方几何结构的结构，以及一种随热量改变性质的材料。他们设计了一种微波吸收器，可在两个特定的高频范围（即 K 波段和 Ka 波段）内工作。其设计的核心是一个由钒金属和二氧化钒组成的交替层构成的金字塔，二氧化钒是一种可以在加热时从电绝缘体转变为导体/金属的材料。通过将这些层排列成一个每一层的宽度都按特定非线性模式变化的金字塔，研究人员创造出一种在 K 波段吸收率超过 96%、在 Ka 波段吸收率超过 98% 的装置。这种高水平的吸收是通过减缓电磁波在层间传播的速度来实现的，从而为材料提供了更多时间将波能量转化为热能。
为了使该装置适用于实际应用，研究人员需要进一步拓宽吸收带宽，并确保无论波的入射方向或极化方向如何，它都能正常工作。仅仅将两个不同的吸收器并排放置会产生一个问题：设备会对入射波的方向变得敏感，即在一种方向上吸收良好，而在另一种方向上效果较差。为了解决这个问题，团队借鉴了魔方表面的灵感，将吸收单元排列成对称的“加号”形状。这种配置将一个中心 K 波段单元置于四个 Ka 波段单元环绕之下，恢复了结构的对称性。在计算机模拟中，这种排列使设备能够在 16 到 40 吉赫兹（GHz）的连续范围内吸收超过 80% 的入射能量。至关重要的是，即使当波以高达 50 度的角度撞击表面时，这种性能依然保持稳定，这比简单的线性排列有了显著改进。
这项工作的最创新之处在于能够根据需求改变装置的行为。由于二氧化钒层在加热时会从绝缘体切换为金属，研究人员可以控制是让 K 波段单元还是 Ka 波段单元吸收能量或反射能量。通过独立地加热或冷却这些部分，该装置可以在四种不同的状态之间进行切换：同时吸收两个波段、仅吸收 K 波段、仅吸收 Ka 波段或两者都不吸收。这种能力使吸收器变成了一个可以编码信息的二位开关（two-bit switch）。研究人员指出，这可以用于一种半被动识别系统，在这种系统中，友方飞机或车辆可以通过微妙地改变其对雷达自身波束的反射方式，由雷达站进行识别，而无需发送强大的无线电信号。雷达发出脉冲，车辆通过加热其涂层的特定部分来改变反射模式，随后雷达读取产生的信号以确认身份。
这项研究依赖于详细的计算机模拟而非物理实验，证明了这种热可重构设计在理论上是成立的。模拟显示，四种不同的状态会产生清晰可辨的信号，从而实现可靠的数据编码方法。虽然快速加热和冷却这些材料以实现实时通信在物理层面仍具挑战，但该设计为开发智能表面开辟了一条新途径。这些表面未来可以兼具双重用途：既作为有效的隐身涂层隐藏物体以躲避探测，同时又作为沉默、低功率的信标，在不向敌人暴露位置的情况下，向友方雷达系统识别身份。
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