科研学术

什么是“超构材料”？通俗地说，“超构材料”就是一类由人工设计的亚波长结构材料，具备天然材料所不具备或难于实现的物理特性。将“超构材料”创造性地引入真空电子器件，可以充分利用其亚波长、强局域谐振等特性，为器件实现小型化、高功率、高效率提供了一种新路径。

自2007年起，电子科学与工程学院段兆云教授研究小组在王文祥教授、宫玉彬教授、巩华荣教授团队的大力支持和帮助下，深耕超构材料与真空电子学交叉前沿，聚焦超构材料基础理论及其在真空电子器件中的应用研究，历经18年攻坚克难，取得了一系列原创性成果，实现了从机理研究、实验验证到工程应用的关键突破，开辟了我国在小型化高功率真空电子器件领域的自主创新之路，标志着由“并跑”向“领跑”的重大跨越。

从物理机理到实验观测：反向切伦科夫辐射首次“显露真容”

在超构材料基础理论研究方面，段兆云教授研究小组聚焦反向切伦科夫辐射这一新奇电磁特性，系统开展了各向异性超构材料在无界、半无界及有界环境中激发反向切伦科夫辐射的理论分析。

围绕其辐射条件、色散特性、辐射方向及相干调控机制，研究小组建立了精确的物理模型，在Journal of Applied Physics（104(6), 063303, 2008）等期刊发表多篇研究论文。

为了观测反向切伦科夫辐射，研究小组创造性地提出了两种适用于真空环境的全金属超构材料单元结构——圆形与平板型互补电开口谐振环，分别适应于圆形注和带状注真空电子器件。

相较传统介质加载型超构材料单元结构，该设计具备强导热、较低损耗、高真空度等优势，为实验观测反向切伦科夫辐射奠定基础。

圆形（左）、平板型（中）超构材料单元结构示意图和传统介质加载型超构材料（右）

据了解，国内外已有多个研究单位在开展反向切伦科夫辐射的实验验证工作，其中包括美国阿贡国家实验室和洛斯阿拉莫斯国家实验室。但是，由于他们未能提出适用于高真空环境的全金属超构材料，实验工作均未取得突破性进展。

2015年，段兆云教授研究小组联合麻省理工学院和伦敦大学玛丽女王学院，终于构建出基于平板型超构材料单元的新颖互作用结构和与之适配的同轴型高效信号耦合结构，首次在实验中直接观测到反向切伦科夫辐射，验证了V. G. Veselago于1967年提出的理论。

该工作于2017年在Nature Communications期刊发表，填补了该领域长达半世纪的实验空白，标志着该机理从理论走向实证。

反向切伦科夫辐射实验观测平台和测试结果

新机理走进新器件：反向切伦科夫辐射器件的跨越式突破

2015年，研究小组在Applied Physics Letters上提出反向切伦科夫振荡器概念模型，并完成优化设计，2022年成功研制样管，并在Applied Physics Letters发表研究成果。

该器件采用圆形全金属超构材料单元构建互作用结构，横向尺寸仅为自由空间波长的1/3，在2.221GHz下实现10.16kW输出功率，这标志着超构材料真空电子器件技术体系初步形成。

反向切伦科夫辐射振荡器样管和测试结果

2023年，研究小组提出首支具备双端口同频输出能力的反向切伦科夫辐射放大器。模拟结果显示，器件在2.286GHz下分别在两个输出端口实现307W与5.48kW功率输出，总电子效率33.84%。该工作拓展了反向切伦科夫辐射机制在放大器方向的应用维度，为构建高效率多端口输出的新型器件提供了思路。

从实验室走向实用化：全球首支S波段超构材料速调管的华丽“首秀”

2020年，研究小组在IEEE Electron Device Letters期刊发表研究成果，提出并验证了S波段超构材料扩展互作用速调管互作用结构。该器件兼具结构小型化与高增益特性，腔体体积为传统结构的一半，在输出功率56kW下实现电子效率62%。

三腔超构材料扩展互作用速调管模型和模拟结果

2022年，研究小组与昆山国力电子科技股份有限公司紧密合作，成功研制出全球首支S波段兆瓦级超构材料速调管，成果发表于IEEE Electron Device Letters，并被选为该期封面论文。器件在2.852GHz下输出功率达5.51MW，电子效率57.4%，从实验上验证了超构材料在实现大功率速调管小型化与高效率方面的显著优势，标志着超构材料真空电子器件技术体系正在迈向实用化阶段。

全球首支S波段兆瓦级超构材料速调管样管和测试结果

 赋能“国之重器”：全球首支P波段超构材料速调管整装待发

研究小组聚焦中国散裂中子源（CSNS）工程中速调管体积大、重量重、效率低等技术瓶颈，力求在保障输出功率的同时实现小型化与高效化运行，依托在S波段超构材料速调管研制中的成功经验，与中国科学院高能物理研究所和昆山国力电子科技股份有限公司相关团队通力合作，经过4年多的技术攻关，掌握P波段超构材料速调管的制造、调试与高功率验证核心技术，成功研制出全球首支紧凑型P波段大功率超构材料速调管样管。

2025年6月7日，该器件在中国科学院高能物理研究所东莞研究部的中国散裂中子源园区完成测试并通过验收，峰值功率超3.0MW，脉宽650μs、重复频率25Hz，在2.5MW条件下稳定运行48小时，关键指标达国际先进水平。中国科学院高能物理研究所副所长、中国散裂中子源二期工程总指挥王生高度评价：“P波段大功率速调管技术实现质的飞跃”。

目前，该成果被新华社、央视网、新华网、中国新闻网等国家级主流媒体重点报道，全网累计点击量超过1200万次；《中国科学报》《科技日报》《南方日报》等权威报纸在头版刊发相关成果，《澳门日报》等港澳媒体亦广泛关注。该成果成为近年来真空电子器件领域最具代表性的技术突破。

全球首支紧凑型P波段大功率超构材料速调管（左）；央视新闻客户端报道截图（右）

段兆云作为第一作者与MIT、新墨西哥大学、威斯康星大学麦迪逊分校以及印度理工学院的学者共同在IEEE Transactions on Electron Devices等期刊发表综述论文，总结了超构材料在真空电子器件和加速器领域的研究进展。研究小组共获得相关授权中国发明专利6件，美国发明专利4件。

为系统梳理研究成果、加强学术传播，段兆云教授还出版了中文专著《超构材料及新颖电磁辐射》（科学出版社，2023）与英文专著《Metamaterial-Based Electromagnetic Radiations and Applications》（Springer, 2024），全面涵盖超构材料基本原理、反向切伦科夫辐射与增强渡越辐射机理及器件设计方法，为该领域学术研究与工程实践提供了理论支撑与技术参考。