Spectral domain inverse design for accelerating nanocomposite metamaterials discovery
纳米光子学背景下的逆向设计技术有助于发现紧凑和反直觉的结构/形状。我们引入了谱域逆设计的概念来搜索纳米复合超材料的光学交换空间（色散介电常数）。我们开发了一种混合优化技术，结合遗传算法和梯度下降法。我们利用这种技术来逆向设计超薄热光伏发射器涂层材料。我们的工作可以导致一个有效的方法来寻找新的多功能光学/热超材料与所需的复介电常数。
2019-11-19 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
Inverse Design of Perfectly-Matched Metamaterials Via Circuit-Based Surrogate Models and the Adjoint Method
本文提出将完美匹配超材料（PMMs）与逆向设计相结合以实现宽带器件，利用无反射折射效应实现真正时延性能，并通过紧凑宽带波束准直器和多输入多输出波束形成器两个设计示例验证了其潜力。
2025-05-03 physics.app-ph physics.optics
High sensitivity nanoporous gold metamaterials for plasmonic sensing
表面等离子体共振传感器是一种成熟的传感器类型，其包括非常多种多样的材料和检测方案。然而，由于光学激发/检测方案的固有复杂性，便携式设备的发展仍然具有挑战性。在这项工作中，我们表明，纳米多孔金（NPG）薄膜可以克服这些限制，提供良好的灵敏度，而不需要复杂的制造方法和/或光学设置。传感机制与光能和分析物共定位到促进增强的光-物质耦合的孔中有关。结果表明，当分子被吸附到孔中时，NPG膜的有效等离子体频率发生显著的光谱偏移，然后反射率发生突变。通过监测接近等离子体频率（即等离子体边缘）的光谱区域中的反射率，然后可以检测分析物。通过一组实验，我们证明了在近红外范围内超过15.000 nm/RIU的灵敏度，这与等离子体超材料的最新技术水平相当。
2022-03-11 physics.app-ph physics.optics
Ultra-compact broadband spot size converter using metamaterial cell-based inverse design
本文提出一种结合逆向设计与亚波长超材料单元拓扑的设计方法，显著减小参数空间，并实验展示了一款长度仅7微米、扩展比24倍、带宽160纳米、插入损耗0.8分贝的超紧凑光斑尺寸转换器，大幅超越现有技术。
2025-06-23 physics.app-ph physics.optics
Inverse design of multishape metamaterials
提出一种序列非线性逆向设计方法，通过逐模式迭代添加局部约束，实现多达 3 种任意复杂非线性变形，成功率至少 85%，并揭示伪模式带来的设计权衡。
2023-04-24 cond-mat.soft physics.app-ph
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
Deep Learning Enabled Design of Terahertz High-Q Metamaterials
本文提出基于深度学习的太赫兹高Q值超材料设计方法，通过ERT模型实现光谱正向预测，VAN模型实现结构逆向设计，精度较传统方法提升1-2个数量级，计算速度提升4000倍。
2023-12-21 physics.app-ph physics.optics
Deep learning for size-agnostic inverse design of random-network 3D printed mechanical metamaterials
Delft University of Technology (TU Delft)（代尔夫特理工大学）；Leiden University Medical Center (LUMC)（莱顿大学医学中心）
机械超材料的实际应用通常涉及解决逆问题，其目标是找到产生给定属性集的（多个）微架构。增材制造技术的有限分辨率通常需要解决特定尺寸的此类逆问题。因此，人们应该找到多个微结构设计，表现出所需的性能与给定的尺寸的标本。此外，候选微架构应该耐疲劳和断裂，这意味着峰值应力也应该最小化。这样的多目标逆设计问题是非常难以解决的，但它的解决方案是机械超材料在现实世界中应用的关键。在这里，我们提出了一种名为“Deep-DRAM”的模块化方法，它结合了四个解耦模型，包括两个深度学习模型（DLM），一个基于条件变分自编码器（CVAE）的深度生成模型（DGM）和直接有限元（FE）模拟。Deep-DRAM（用于随机网络超材料设计的深度学习）将这些模型集成到一个统一的框架中，能够为这里提出的多目标逆设计问题找到许多解决方案。集成框架首先将所需的弹性属性引入DGM，DGM返回一组候选设计。然后将候选设计与目标样本尺寸一起传递到DLM，DLM根据样本尺寸预测其实际弹性特性。在基于实际属性与期望属性的接近度的过滤步骤之后，最后一步使用直接FE模拟来识别具有最小峰值应力的设计。
2022-12-22 cs.LG physics.app-ph
Generative inverse design of multimodal resonant structures for locally resonant metamaterials
针对局域共振超材料研发中物理共振器设计常被简化的问题，提出基于条件变分自编码器的多模态共振结构逆向设计方法，仅需少量训练数据即可生成符合目标模态特性的设计，并通过3D打印原型和超材料梁实验验证了准确性。
2024-11-04 physics.app-ph
Deep neural networks for the prediction of the optical properties and the free-form inverse design of metamaterials
本文提出用深度神经网络预测超表面等纳米结构的光学性质，并完成可纳入实验可行性约束的自由形式逆向设计，为基于波动方程的技术自动化设计提供新途径。
2022-01-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.comp-ph
Volumetric-mapping-based inverse design of 3D architected materials and mobility control by topology reconstruction
模块化折纸结构的最新发展为具有多个自由度（multi-DOF）的有源超材料开创了一个新时代。值得注意的是，没有系统的逆向设计方法的体积模块化折纸结构已被报道。此外，很少有拓扑结构的模块折纸已经研究了设计的有源超材料与多自由度。在这里，我们开发了一种逆向设计方法和可重构算法，用于构建3D主动架构结构-我们合成模块化折纸结构，可以体积映射到目标3D形状。我们可以通过重构体系结构的拓扑结构来控制可重构性。我们的逆向设计的基础上的体积映射与流动性控制的拓扑重建可以用来构建建筑超材料与任何三维复杂的形状，也可与多自由度。本文的工作为基于体积逆设计的三维可重构结构设计开辟了一条新的途径。这项工作对于汽车，航空航天和生物医学工程应用的3D有源超材料和3D变形器件的设计具有重要意义。
2022-05-11 cond-mat.mtrl-sci cs.CG physics.app-ph
Inverse Doppler Effects in Pipe Instruments
音乐比语言更古老，在人类历史的大部分时间里，音乐将我们的文化联系在一起。管乐器是有史以来最受欢迎的乐器之一。本文在前人建立的笛形和类笛形声学超材料模型的基础上，对两种常见的管乐器--竖笛和单簧管中的逆多普勒效应进行了实验研究。我们的研究表明，当麦克风（观察者）和上述两个管乐器（源）之间存在相对运动时，逆多普勒效应可以在上升音阶的所有七个音高上被检测到。这两个管道仪器的计算出的有效折射率是负的，并且在一组间距上变化，表现出宽带声学超材料的期望特性。这项研究表明，竖笛和单簧管可能是迄今为止已知的最早的人造声学超材料，为为什么管乐器在过去的数百年和数千年里在欧洲和亚洲广受欢迎提供了新的解释。这一新发现的现象也将为设计下一代智能宽带双负声学超材料提供线索。
2018-02-23 physics.app-ph
Wide-angle spectrally selective absorbers and thermal emitters based on inverse opals
工程光学吸收剂在从减少杂散光到能量转换的应用中具有重要意义。我们展示了一种大面积（厘米级）的超材料，其特点是在中红外波长范围内的近单位频率选择性吸收。超材料包括自组装的多孔结构，称为反蛋白石，这里由二氧化硅制成。该结构的大体积分数的空隙，以及二氧化硅在中红外光谱范围内的振动共振，将超材料的折射率降低到接近空气的折射率，并引入相当大的光吸收。结果，频率选择性结构即使在非常倾斜的入射角下也有效地吸收两种偏振的入射光。吸收器在高温下（测量高达~900摄氏度）保持稳定，使其能够作为频率选择性热发射器运行。这种吸收器/发射器的优异性能和易于制造使其成为被动辐射冷却，激光安全和其他大面积应用的有前途的表面涂层。
2019-10-08 physics.app-ph physics.optics
High permittivity processed SrTiO3 for metamaterials applications at terahertz frequencies
本研究制备用于太赫兹全介质超材料的高介电常数SrTiO3，对比三种烧结工艺后发现放电等离子烧结可制备出介电常数与单晶相当的高密度陶瓷，为太赫兹超材料制备提供了有效方案。
2017-11-28 physics.app-ph physics.chem-ph
Inverse design of an all-dielectric digitized terahertz optical power splitter by particle swarm optimization method
这封信提出了一种基于数字化超材料的50：50 TE太赫兹（THz）功率分配器。该装置采用粒子群优化算法进行优化。数字化超材料的结构包含在二氧化硅衬底上沉积的硅板中的圆形空气孔。优化后的结构在0.9-1.1 THz的频率范围内插入损耗（IL）小于3.9 dB。申报器械的占地面积为400 $\times$ 350 $μ$ m $^2$。该器件具有结构紧凑、效率高、全介质、与CMOS工艺兼容等优点。该器件可以作为一个重要的组成部分，在大多数太赫兹电路路由太赫兹波。
2021-04-15 physics.app-ph physics.optics
An investigation of a new metamaterial composite structures
设计了一种用于控制X波段自由空间电磁波传播的复合结构选频器件。该复合结构主要由简单的频率选择表面（FSS）结构和设计的等离子体阵列组成。首先，对FSS结构的电磁特性进行了测试，结果表明，耦合反相位图案的FSS结构具有显著的吸收率，与单层FSS结构相比，其峰值谐振位置略有蓝移。在此基础上，对所设计的频率选择器件在X波段进行了研究。结果表明，该装置易于控制微波的传播，通过改变频率选择表面结构或等离子体阵列可以改变带隙频率，且该结构的特性对频率有很强的依赖性。
2019-01-24 physics.app-ph
Physics-Aware Machine-Learning-Driven Inverse Design of Broadband Ultra-Open Acoustic Metamaterials
Boston University（波士顿大学）
本文提出一种结合物理知识的机器学习逆向设计框架，用于设计超开放声学消音器，通过分阶段预测架构和混合目标并行策略，实现高效优化并验证了多种原型，展示了广谱性能和高通风比。
2026-05-15 physics.app-ph
Machine learning and evolutionary algorithm studies of graphene metamaterials for optimized plasmon-induced transparency
机器学习和优化算法在光子器件的设计和优化中得到了广泛的应用。在这篇文章中，我们简要回顾了这一领域的研究进展，并显示了一些数据驱动的应用（如光谱预测，逆设计和性能优化）的新型石墨烯超材料（GM）。以实现宽带等离子体激元诱导透明效应为优化目标，通过传输矩阵法对GMs的结构进行了优化设计。利用k近邻、决策树、随机森林和人工神经网络等经典的机器学习算法，等价地替代数值模拟进行正向谱预测，完成了GM的逆设计。计算结果表明，所有算法都是有效的，随机森林在精度和训练速度方面具有优势。此外，单目标和多目标优化算法被用来实现陡峭的传输特性，综合考虑多种性能指标。优化后的透射谱峰谷差最大可达0.97。与以前的工作相比，我们提供了基于机器学习和进化算法的光子器件和先进材料的智能设计的指导。
2019-12-15 physics.app-ph physics.optics
Designing Multi-functional Metamaterials
设计在不同电磁场上执行不同操作的无源结构的能力是许多技术的关键，从光束转向到光学计算。虽然已经开发了许多技术来优化结构，通过逆向设计实现特定的功能，但设计多功能材料仍然具有挑战性。提出了一种基于离散偶极子近似的半解析方法来设计多功能超材料。为了证明我们的方法的一般性，我们设计了一个设备，该设备在光学波长和光束到不同的方向取决于源偏振和设备，工作在微波波长和排序平面波的入射角。
2022-04-21 physics.app-ph physics.class-ph physics.optics
Perfectly Matched Metamaterials
The University of Michigan（密歇根大学）
本文提出完美匹配超材料，用于实现宽带波束成形和模拟计算，通过各向异性单元格控制电磁场以实现空间滤波和信号预处理。
2025-11-26 physics.app-ph physics.optics
Automated discovery of reprogrammable nonlinear dynamic metamaterials
该研究提出基于全可微仿真的逆向设计框架，自动发现并实验验证可实现能量聚焦、动态防护等任务且能通过预压缩重编程的柔性机械超材料。
2024-03-12 physics.app-ph
How to See Hidden Patterns in Metamaterials with Interpretable Machine Learning
Duke University（杜克大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
机器学习模型可以通过近似计算昂贵的模拟器或解决逆向设计问题来辅助超材料设计。然而，过去的工作通常依赖于黑盒深度神经网络，其推理过程是不透明的，需要大量的数据集，获得这些数据集的成本很高。在这项工作中，我们开发了两种新的机器学习方法来发现超材料，没有这些缺点。这些方法被称为形状频率特征和单元格模板，可以发现具有用户指定频率带隙的2D超材料。我们的方法提供了逻辑规则为基础的条件，超材料单元格，允许可解释的推理过程，并推广到不同分辨率的设计空间。该模板还提供了设计灵活性，用户几乎可以自由地设计单位单元的精细分辨率特征，而不会影响用户所需的带隙。
2022-10-01 cs.CE cs.LG physics.app-ph
A Multi-Fidelity Bayesian Neural Operator for Mechanics of Spinodal Metamaterial
Northwestern University（西北大学）
本研究提出了一种多保真度贝叶斯神经算子，通过整合低保真度仿真与稀疏高保真度实验数据，实现对spinodal仿生材料非线性行为的高效建模与反向设计。
2026-02-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Extreme Spatial Dispersion in Nonlocally-Resonant Elastic Metamaterials
本文提出利用离域零能量模式在0 Hz处产生反常色散锥，实现极亚波长尺度下的超材料波动调控，并通过仿真实验验证及逆向设计方法加以支撑。
2023-03-02 physics.app-ph
Simple arithmetic operation in latent space can generate a novel three dimensional graph metamaterials
本研究提出一种创新超材料设计策略，通过在解耦隐空间内进行简单算术运算，结合隐扩散过程生成多样化三维图状超材料，可用于多类结构的逆向设计，为理解隐设计空间、构建力学超材料统一生成模型奠定基础。
2024-05-21 physics.app-ph
Scalable Active Metamaterials for Shape-Morphing
Texas A&M University（德克萨斯农工大学）
本文提出一种可扩展的主动超材料设计框架，通过分层分解实现快速准确的非周期性形状变形超材料设计，为可编程材料系统提供新计算范式。
2026-10-22 cs.CE physics.app-ph
Mechanical Metamaterials Fabricated from Self-assembly: A Perspective
本文展望自组装技术在承重型机械超材料制造中的应用，综述共聚物与胶体晶体自组装进展，并讨论高通量表征、ML及实验室自动化逆向设计等挑战与机遇。
2023-11-12 cond-mat.soft physics.app-ph
Graded phononic metamaterials: Scalable design meets scalable microfabrication
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；University of Washington（华盛顿大学）；École Polytechnique（巴黎综合理工学院）；IBM Research – Zurich（IBM 苏黎世研究实验室）
针对声子超材料在设计、仿真及制造层面的可扩展性瓶颈，研究提出结合射线追踪模型的空间梯度超材料可扩展逆向设计框架与硅基光刻微制造方法，实现了数十万晶胞规模的宽带弹性波引导，为片上弹性波操控提供新路径。
2025-07-02 physics.app-ph
Systematic Study of Amorphous ABC Heterostructures at the Atomic Scale as a Second-Order Nonlinear Optical Metamaterial
Friedrich Schiller University Jena（耶拿弗里德里希·席勒大学）；Australian National University（澳大利亚国立大学）；Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF（弗劳恩霍夫应用光学和精密工程研究所）；GFZ Helmholtz Centre for Geosciences（德国地球科学研究中心赫尔姆霍茨协会）；Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS（弗劳恩霍夫材料系统和微结构研究所）
研究通过原子层沉积制备无定形ABC异质结构，发现其纳米尺度形态修饰显著提升第二阶极化率，实现1032nm波长下2.0±0.2pm/V的体第二阶极化率，与传统单晶非线性材料相当。
2026-01-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Deep Learning for The Inverse Design of Mid-infrared Graphene Plasmons
我们从理论上研究了中红外石墨烯基超材料的等离子体特性，并将神经网络的深度学习应用于逆向设计。这些人造结构具有沉积在介电薄膜上的石墨烯等离子体共振器的方形周期性阵列。光谱随结构参数的变化而显著变化。我们的数值结果与以前的实验结果是一致的。然后，采用理论方法来生成用于训练和测试深度神经网络的数据。通过将预训练的神经网络与逆网络相结合，我们实现了石墨烯基超材料的逆设计计算。我们还讨论了数据驱动方法的局限性。
2020-02-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Metamaterial-Controlled Parity-Time Symmetry in Non-Hermitian Wireless Power Transfer Systems
本文提出一种利用超材料控制PT对称性的多体无线电力传输系统，通过逆向设计调节耦合系数，在强耦合区域实现稳定的PT对称态，支持自由定位WPT应用。
2023-12-21 physics.app-ph
Fractal-like plasmonic self-similar material with a tailorable plasma frequency in the near-infrared
在这项工作中，我们表明，调制的分形维数的纳米多孔金允许其有效的介电响应在很宽的光谱范围内的红外波长进行定制。特别地，等离子体边缘和有效等离子体频率线性地依赖于分形维数，这可以通过改变孔隙和韧带尺寸来控制。重要的是，分形多孔金属表现出优越的等离子体特性相比，其散装对应物。这些特性与大约100-200 nm的较长趋肤深度相结合，使得光能能够深入渗透到可以加载分子的纳米孔中，从而实现更有效的光-物质耦合。这些发现可能会开辟新的途径，工程的分形或自相似的超材料的光学响应，而不需要复杂的光刻图案。
2018-03-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
