Page 95 - 《真空与低温》2025年第3期

366 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

microwave heating，and so on.
Key words：metamaterial；reversed Cherenkov radiation；enhanced transition radiation；vacuum electron devices

0 引言 当带电粒子与超构材料相互作用时，会激发出
[1]
新奇的反向切伦科夫辐射或增强渡越辐射 ，这与
所谓的超构材料是一种新型人工构造的亚波
长结构。其构造思想可以类比自然材料，用人工构 真空电子器件的工作原理不谋而合。因此，将超构
造的结构单元代替自然材料中的分子和原子，通过 材料引入到真空电子学中，发挥超构材料具有的强
改变超构材料单元的形状、尺寸和排列方式等获 谐振和亚波长优势，可以发展出具有优良性能的超
[5]
得新奇的物理特性，例如负折射率、反向切伦科夫 构材料真空电子器件 。
辐射、反向多普勒效应、异常光压效应等 ，其构造 美国、欧洲、俄罗斯、印度等国家和地区都在
[1]
思想如图 1（a）所示。 从事超构材料真空电子器件这一前沿领域的研究。
1967 年，左手材料被前苏联物理学家 Veselago [1] 在国内，清华大学开展了双曲超构材料中低阈值切
[6]
从理论上提出之后，由于无法进行实验验证，因此 伦科夫辐射的研究 ，北京大学开展了螺旋超构表
[7]
没有得到科学界的高度重视。直到 2000 年，英国 面光栅的 Smith-Purcell 辐射的研究 ，东南大学在
[2]
物理学家 Pendry 和美国科学家 Smith 等 通力合作， 超构材料吸波结构和输能窗等方面开展了大量研
[8]
在实验室中成功实现了左手材料。自此，左手材料 究 ，西安交通大学开展了基于双回旋超构材料表
[9]
的概念被发展成为广义的超构材料，其研究从 面波微波振荡器的研究 ，国防科技大学研究了
微波电子学领域逐步发展到光学、声学、机械学、 一种适用于相对论微波器件的新型超构材料慢波
[10]
热学等领域，带来了广泛的影响 [3-4] ，如图 1（b）所示。 结构 。相关研究促进了我国超构材料真空电子
器件的发展 。下面主要介绍电子科技大学在超
[11]
构材料真空电子器件方面的研究进展。

常规材料 超构材料
1 反向切伦科夫辐射的机理研究
在各向同性左手材料中，当带电粒子的运动速
度超过周围媒质中传播的电磁波的相速度时，会激
发出反向切伦科夫辐射，辐射波能量的传播方向和
[1]
相速度方向相反 ，如图 2 所示。

（a）超构材料构造思想
常规材料 切伦科夫辐射 反向切伦科夫辐射 超构材料

太赫兹 声学 v v
电磁超 隐身
电磁 构材料
吸波器 吸声器
电磁 电磁超构材料 声学超构材料 声学 带电粒子 带电粒子
隐身 超构 聚焦
材料 （a）传统切伦科夫辐射 （b）反向切伦科夫辐射
最小剪
切模量 机械超构材料 热学超构材料 热管理
负泊 图 2 切伦科夫辐射和反向切伦科夫辐射示意图
松比 能量 热发射 Fig. 2 Schematic of traditional Cherenkov radiation
吸收 热隐身
and reversed Cherenkov radiation

电子科技大学提出了各向异性左手材料的物
理模型，先后在无界、半无界、有界情形下开展了
（b）超构材料的广泛应用
各向异性左手材料中的反向切伦科夫辐射的理论
[12]
图 1 超构材料 研究 ，发展了反向切伦科夫辐射理论，发现各向
Fig. 1 Metamaterials 异性左手材料中激发电磁波的坡印亭矢量的取向