清华大学周济教授团队AM：Desymmetrized超材料诱导完美吸收

近日，清华大学周济教授团队在国际材料领域顶刊《Advanced Materials》上发表研究文章。该工作成功研制出一种基于Desymmetrized（降低对称性）设计的单一陶瓷超材料，能够在面外实现极化不敏感的电磁波近完美吸收，而在面内可得到对不同极化电磁波的方向性侦测，为发展新一代耐高温、高可靠的电磁功能频率器件提供了全新的解决方案。

当前，实现高性能电磁波调控通常依赖于复杂的多层结构或复合材料的协同作用，这些结构在高温等极端环境下易因材料间热失配而失效；同时，超材料想要获得极致的性能，参数化引起的结构复杂度上升又是不可避免的。

本研究另辟蹊径，提出了极简的设计理念：仅通过对单一陶瓷块体引入简单的“盲孔”结构，即可降低其结构对称性，消除反演对称中心（在晶体结构中只能是单斜或是三斜晶系结构实现），从而基于广义Kerker效应与连续域束缚态（Bound States in the Continuum，BIC）理论，结合陶瓷材料的电磁性能参数实现该“奇异点”。此时，奇偶模共存，电、磁多极子发生干涉，形成近横向散射特性，使得电磁波既无法穿透也无法被反射，其能量通过以上临界耦合设计被限制在材料内部，从而实现近完美吸收。而面外引入的各向异性又使得该奇异模态可对入射电磁波的极化方向响应，从而获得近场的电磁波探测性质。

该设计的显著优势在于其材料与结构的一体化。器件由单一陶瓷构成，无需衬底支撑，其耐受温度理论上可达陶瓷材料本身的熔点，表现出卓越的热稳定性。同时，该超材料厚度仅为工作波长的约1/9，具备超薄、自支撑的特性，为在苛刻环境（如航空航天发动机周边、高温传感系统）中实现小型化、高可靠的电磁调控与探测功能开辟了新路径。

从宏观角度，这项工作的意义在于它提供了一种“通过结构设计赋予基础材料新功能”的新范式，体现了“常规材料与超材料融合”的核心思想。除本研究的示例之外，多极干涉中面外反演对称中心的缺失独立于面内对称性，从而在三维尺度上提供了几乎无限的对称设计可能性，使得功能器件中电磁波响应调控的自由度显著提升。这种准-BIC与广义Kerker效应的有效级联可进一步拓展其在功率分配和偏振复用中的应用。此外，除全陶瓷结构外，这种超材料概念为开发结合不同功能材料的“Janus”结构开辟了道路，对非互易器件、莫尔超晶格及相关先进光子系统具有重要意义，有望推动未来电子与光子器件在极端环境下的技术发展。

图1.（A）Desymmetrized超材料的结构与功能示意图；可靠性验证：（B）热冲击、（C）高温老化失效等典型极端（高温）环境适配性；（D）10 次高温循环后的性能；（E）室温至 900℃的原位吸收测量结果；（F）热冲击及修复前后的 S11参数；（G）热冲击后的样品图像；（H）修复后的样品图像。

图2.（A）Desymmetrized超材料奇异模合成的物理本质；（B）样品制备流程概述；（C）自由空间 S 参数测试；不同偏振入射下的近场扫描结果：（D）X 偏振、（E）Y 偏振、（F）45° 偏振。

图3.模拟结果：（A）超材料结构与特征参数；（B）多极分解结果；（C）相位变化；（D）考虑奇偶模的远场辐射结果；模拟的（E）S11参数、（F）S21参数；（G）计算得到的吸收率；（H）Desymmetrized超材料中奇异模的演化过程。

图4.准BIC行为分析：准BIC品质因数随（A）结构参数与（B）材料损耗的变化关系。

图5.适用性与拓展：（A）相同超材料几何结构下，陶瓷介电性能、吸收率与吸收频率之间的关系模拟结果；（B）盲孔中加载不同介电常数的介质后，S11参数的变化及可能的拓展功能。

通讯作者：周济，清华大学材料学院教授，中国工程院院士

共同第一作者/通讯作者：罗伟嘉，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室副研究员

共同第一作者：赵润妮，清华大学材料学院博士生

论文信息：

W. Luo, R. Zhao, Y. Liu, et al. Desymmetrized Metamaterials Enable Perfect Absorption.Advanced Materials, (2026): e22888.

https://doi.org/10.1002/adma.202522888