Acoustic cloaking: geometric transform, homogenization and a genetic algorithm
提出了一种实验设计各向异性非均匀超材料的一般方法，该方法通过改变亥姆霍兹方程中的坐标得到。该方法适用于允许进行伪装的圆柱变换的情况。为了近似这种复杂的超材料，我们应用均匀化理论的结果，并将它们与遗传算法相结合。为了说明我们的方法的力量，我们设计了三种类型的斗篷组成的各向同性同心层结构与三种类型的穿孔：弯曲的矩形，分裂环和十字架。这些斗篷的参数与现有技术兼容，它们模仿了转化材料的行为。数值模拟已经进行了定性和定量研究这些超材料的隐身效率。
2019-04-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Homogenization framework for rigid and non-rigid foldable origami metamaterials
McGill University（麦吉尔大学）
本文提出一种均质化框架，用于预测非刚性可折叠折纸超材料的弹性特性，通过建模面为板元件，提高预测精度和理解其力学行为的能力。
2026-01-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Finite-difference frequency-domain method for the extraction of effective parameters of metamaterials
在这里，我们报告了最近在[M]中提出的非局部均匀化方法的数值实现。Silveirinha，Phys.Rev.B75，115104（2007）]，使用有限差分频域方法来离散麦克斯韦方程。我们应用开发的形式主义来表征由电介质和金属颗粒形成的几种结构材料的非局部介电函数，特别是，我们提取局部介电常数，磁导率和磁电耦合参数时，这些是有意义的。结果表明，有限差分频域实现的均匀化方法是稳定和强大的，产生非常准确的结果。
2012-05-15 cond-mat.mtrl-sci
Multi-scale energy homogenization for 3D printed microstructures with a Diritchlet boundary condition relaxation under plastic deformation
本工作提出一种针对非线性状态下超材料的并行计算方法，通过将体材料细分为子区域进行能量均匀化，以节省 RAM 内存并准确拟合局部非线性行为。
2023-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Evanescent Wave Boundary Layers in Metamaterials and Sidestepping them through a Variational Approach
所有的超材料应用都是基于这样的想法，即通过适当的动态均匀化复合材料可以实现极端的材料特性。这种均匀化几乎总是对无限域进行，然后将结果应用于有限样本。这个过程忽略了出现在这种有限样本边界处的倏逝波。在本文中，我们首先澄清这些倏逝波的出现和目的在一个模型问题组成的分层复合材料和均匀介质之间的界面。我们发现，这些倏逝波形成边界层的界面的两侧，超过该复合材料可以表示适当的无限域均匀化的关系。我们表明，如果忽略边界层，那么位移和应力场是不连续的整个界面。因此，在这样的界面处的散射系数不能通过仅涉及传播模式的常规连续性条件来确定。在这里，我们提出了一个近似的变分方法来避开这些边界层。其目的是确定的散射系数，而无需的倏逝模式的知识。通过各种数值例子，我们表明，我们的技术给出了很好的估计的实际散射系数超过长波长的限制。
2016-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Generalized effective dynamic constitutive relation for heterogeneous media: Beyond the quasi-infinite and periodic limits
动态均匀化理论是描述和理解复合材料和超材料等非均匀介质行为的有力工具。然而，在动态均匀化理论的一个主要挑战是确定这些介质的格林函数，这使得它很难预测其有效的本构关系，特别是对于有限尺寸和/或非周期性介质在现实世界中的应用。在本文中，我们提出了一个公式，找到一般的非均匀介质，包括有限尺寸和非周期性的弹性动力学有效本构关系，考虑边界项的Hashin-Shtrikman原则。我们提出的配方依赖于参考均匀介质的无限体格林函数，使其免于确定格林函数的困难，即使对于有限尺寸介质的均匀化。此外，我们证明了随机和确定性的非均匀介质，这种提法的普遍适用性。这项工作有助于更好地理解均匀化理论和下一代超材料的设计，这些超材料需要准确预测有效材料特性，以便在所需的操作环境下进行动态波操纵。
2023-03-08 cond-mat.mtrl-sci
Rational design of piezoelectric metamaterials with tailored electro-momentum coupling
压电材料由于其固有的机械变形和电场的耦合作用而具有广泛的传感和能量转换应用。最近的研究发现，压电复合材料的非对称或异质微结构可以产生额外的宏观动量耦合到电场，称为电-动量耦合，引入一个新的设计自由度。在这项工作中，通过采用均匀化方案，电-动量耦合的物理起源进行了探索，通过高吞吐量扫描的压电复合材料系统的微结构设计空间。这项研究显示了材料的组成特性和几何排列如何影响电动量耦合，并巧妙地为感兴趣的应用程序量身定制。
2022-02-09 cond-mat.mtrl-sci
Topological transition in coated wire medium
本文提出了一种由平行金属线和介质层组成的超材料的非局部均匀化理论。结果表明，通过改变金属丝介电层与基质材料之间的介电对比度，可以使超材料的色散区从椭圆色散区转变为双曲线色散区，即发生拓扑转变.我们通过全波数值模拟证实了我们的理论预测。
2016-05-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Analysis of Nonlinear Electromagnetic Metamaterials
我们分析了通过将非线性元件或材料集成到超材料元件的电容区域中而形成的非线性超材料的特性。一个简单的均匀化过程导致的复合超材料介质的非线性极化率的一般表达式。该表达式是方便的，因为它们使散射元素的非均匀系统被描述为一个连续的介质，使用标准符号的非线性光学。我们通过对制造的超材料样品进行测量来说明我们的理论框架的有效性和准确性，所述超材料样品由开口环谐振器（SRR）的阵列组成，所述开口环谐振器（SRR）具有以类似于Wang等人的方式嵌入在电容性间隙中的封装变容二极管[Opt.Express 16，16058（2008）]。由于SRR表现出对电磁场的主要磁响应，因此变容二极管加载的SRR复合材料可以被描述为在其有效磁化率中具有非线性项的磁性材料。将复合材料视为非线性有效介质，我们可以定量评估介质的性能，以增强和促进非线性过程，包括二次谐波产生，三波和四波混频，自聚焦和其他众所周知的非线性现象。我们通过预测变容二极管加载SRR介质的有效磁导率中的强度依赖性谐振频率偏移并与实验测量值进行比较来说明我们的方法的准确性。
2010-04-16 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Non-local quantum gain facilitates loss compensation and plasmon amplification in graphene hyperbolic metamaterials
基于石墨烯的双曲型超材料被预测可以传输具有非常大真空波矢的倏逝场。特别是在高得多的波矢量值下，通常采用的涉及结构均匀化和近似局部石墨烯导电性的假设的几何模型开始崩溃。在这里，我们将石墨烯的非局域量子导电性模型与周期性结构的精确数学处理相结合，以开发用于确定这些石墨烯基双曲超材料的双曲行为的工具集。石墨烯的量子电导率模型有助于我们预测所考虑的结构的石墨烯片中的等离子体激元放大。这使我们能够扭转欧姆和温度损失的问题，使这种简单而强大的安排实际适用。我们分析了有限结构内部的电场分布，得出Bloch边界解可以用来预测其行为。与传输矩阵法，我们表明，在有限的温度和碰撞损失，我们可以补偿损失，恢复成像质量的有限结构通过引入化学不平衡。
2018-12-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Transformational acoustic metamaterials based on pressure gradients
我们应用均匀化过程的声速势波方程。对不同实例的研究表明，对于相同的基本声学参数，所得到的有效性质不同于均匀化压力波方程的有效性质。仔细的分析表明，一组给定的非齐次参数代表一个完全不同的物理系统，这取决于所考虑的方程。我们的研究结果揭示了一种不同的方式，通过静态压力的梯度定制声学特性。与基于等压复合材料的标准超流体相比，这种替代的超流体适合于通过速度势方程设计的转换装置的实现。这包括运动背景中的声学系统或由一般时空变换引起的声学系统。作为一个例子，我们设计了一个能够掩盖声速势的装置。
2014-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci gr-qc
Biharmonic Split Ring Resonator Metamaterial: Artificially dispersive effective density in thin periodically perforated plates
本文提出了一种理论和数值分析的弯曲波定位在边界上的柏拉图晶体的积木是分裂环谐振器（SRR）。我们首先推导出均匀化的参数的结构板使用三尺度渐近展开的线性化双调和方程。在极限时的弯曲波的波长远大于典型的异质性尺寸的柏拉图晶体，我们表明，它表现为一个人工板与各向异性的有效杨氏模量和色散的有效质量密度。然后，我们分析色散图与弯曲波传播的无限阵列内的SRR，本征解的Floquet-Bloch波的形式寻求。我们最后证明，这种结构显示了全角度负折射（AANR）的特点，它导致超透镜和超折射效应，解释感谢我们的均匀化模型作为负和消失的有效密度的结果，分别。
2014-07-28 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning-enabled inverse design of bimaterial thermoelastic lattice metamaterials
Technische Universität Darmstadt（达姆施塔特工业大学）
本文提出利用机器学习进行双材料热弹性蜂窝超材料的逆向设计，通过高通量模拟和神经网络模型实现高效预测和优化
2026-02-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Surface Exciton Polaritons and Near-Zero Permittivity Surface Waves Supported by Artificial Organic Hyperbolic Metamaterials
CINBIO, Universidade de Vigo（维戈大学）；Centro de Física das Universidades do Minho e do Porto (CF-UM-UP), Universidade do Minho（米尼奥大学与波尔图大学物理中心）；International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL)（伊比利亚纳米技术国际实验室）；Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)（马德里材料科学研究所，西班牙高等科学研究理事会）；ALBA Synchrotron Light Source（阿尔巴同步辐射光源）
本文提出了一种有机双曲超材料的制备方法，通过多层薄膜实现强光学各向异性，支持表面激子极化子和近零介电常数表面波，为纳米尺度的极子动力学研究提供了新平台。
2025-12-23 cond-mat.mtrl-sci
Design of Linear-to-Circular Polarization Transformers Made of Long Densely Packed Metallic Helices
在这项工作中，我们研究了实现现实的极化Transformers形成的长金属螺旋。为此，我们提出了一个新的均匀化模型来描述电磁波在无限长螺旋线构成的介质中的传播。我们推导出近似的解析表达式的有效介电常数，有效磁导率和复合材料的磁电张量，考虑到空间色散的影响。我们应用新的均匀化模型来表征新颖的线-圆极化Transformers。我们的研究结果表明，超材料屏幕可以被设计成这样的方式，输入的线偏振波可以被转换成圆偏振的透射波，并且这种偏振Transformer的传输效率可以高达95%。理论结果得到了全波模拟的支持。
2007-01-05 cond-mat.mtrl-sci
Moulding flexural waves in elastic plates lying atop a Faqir's bed of nails
柏拉图晶体（Platonic crystals，PC）是广泛应用于光学领域的光子晶体的弹性板类似物，是一种薄结构的弹性板，弯曲波在一定的阻带频率间隔内不能沿其传播。PC的实际重要性是双重的：这些既可以用于微结构声学超材料的设计，也可以作为表面弹性波在米级地震超材料中传播的近似模型。在这里，我们利用的PC创建非常小的夹紧孔，标题的钉子，以实现表面波反射器在非常大的波长，平面透镜，内窥镜，定向天线附近的阻带频率和狄拉克锥隐身的带谱。点钉扎，Faqir，板是特别有吸引力的，因为有一个精确的色散关系，使这些现象的起源可以解释和解释使用傅立叶级数和高频均匀化。
2013-04-28 cond-mat.mtrl-sci
Discrete One-dimensional Models for the Electromomentum Coupling
本文提出一种一维离散模型以展现亚波长压电复合材料中的电动量耦合，揭示其物理机制与局部共振来源，并为压电超材料设计提供指导。
2023-06-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Control of Rayleigh-like waves in thick plate Willis metamaterials
我们探讨的相互作用的弹性波传播板（与土壤参数）结构与混凝土柱埋在土壤中。柱子直径2 m，深度30 m，板厚50 m。我们研究的频率范围为5至10 Hz，瑞利波波长小于板的厚度。该频率范围与地震工程学中特别感兴趣的频率范围兼容。本文证明，两个地震斗篷的配置允许与瑞利表面波相关的弹性动力学能量的前所未有的流动。第一个斗篷设计的灵感来自于薄板理论框架内理想斗篷参数的一些近似值。第二个，更完善，但更多的参与，斗篷设计推导出从几何变换在完整的Navier方程，保持弹性张量的对称性，但导致威利斯方程，以及近似的均匀化过程，证实了数值模拟。这两种斗篷的设计有着惊人的不同，第二种斗篷的优越效率强调了将现有斗篷的薄板设计转换为物理学设置的必要性。重要的是，我们把注意力集中在厚板的几何变换上，这是薄板和半无限介质之间的中间情况，以前没有研究过。研究了理想和近似隐身参数下的隐身效率（减小障碍物后的波阵面及其振幅的扰动）和防护（减小隐身中心内的波幅振幅）。这些结果代表了一个初步的一步地震斗篷的设计，表面瑞利波传播的沉积土结构与混凝土柱。
2016-11-29 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Nonlocal Effective Electromagnetic Wave Characteristics of Composite Media: Beyond the Quasistatic Regime
从第一性原理出发，推导了无序两相复合材料和异向介质的有效介电常数张量${\boldsymbol \varepsilon}_e({\bf k}_I, ω)$的精确非局域表达式。这种形式主义扩展了任意微结构的${\boldsymbol \varepsilon}_e({\bf k}_I, ω)$的常规均匀化估计的长波长限制，使得它可以捕获远远超出准静态范围的空间色散（其中$ω$和${\bf k}_I$是入射辐射的频率和波矢量）。这是通过推导非局部强对比度展开来完成的，该展开精确地解释了我们的扩展均匀化理论所适用的波数范围的多重散射，即，$0 \le |{\bf k}_I| \ell \lesssim 1$（其中$\ell$是特征异质性长度量表）。由于这种展开式的快速收敛特性，它们的低阶截断产生精确的${\varepsilon}_e({\bf k}_I,ω)$的封闭形式近似公式，该公式通过谱密度结合微观结构信息，这对于任何复合材料都很容易计算。这些微观结构相关的近似的准确性进行了验证，比较全波形模拟方法的二维和三维有序和无序的复合介质模型。因此，我们的封闭形式的公式，使人们能够准确和有效地预测有效的波特性远远超出准静态政权，而不必进行全面的模拟。在其他结果中，我们表明，某些无序超均匀颗粒复合材料表现出新颖的波特性。我们的研究结果表明，一个可以设计的有效波的无序复合材料的特性，通过工程的微观…
2021-03-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Designing thermal energy harvesting devices with natural materials through optimized microstructures
由变换光学获得的超材料热能器件由于其在能量存储、热收集或热操纵方面的巨大潜力，近年来引起了广泛的关注。然而，这些设备通常需要不均匀和极端的材料参数，这在大规模应用中难以实现。在这里，我们展示了一个一般的过程，设计热收集装置与可用的天然材料，通过优化的复合材料微结构。我们应用双尺度均匀化理论来获得微结构的有效性质。最佳拉丁超立方技术，结合遗传算法，然后实施的微结构，以实现优化的设计参数。优化后的微结构可以准确地逼近相变材料的行为。我们设计这样的设备和数值表征良好的热能收集性能。为了验证我们的方法的广泛应用，我们说明了其他类型的微观结构，以及模仿的本构参数。我们提出的方法可用于设计现有技术可用的新型热收集设备，也可以作为探索其他转换光学启用设计的有益工具。
2020-07-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
