超材料是一种通过人工微结构在亚波长尺度内精确调控物理场的复合材料或结构阵列，是近年来由科学界兴起、被工程界广为关注的全新材料构建范式，不仅在宏观上展现出超越传统天然材料的奇异特性，还可实现结构功能一体化。自2010年起，超材料研究已遍布与“波”相关的所有领域，包括电磁、声学、力学、热学和量子等领域，并多次入选《科学》杂志评选的年度十大科技进展，被评为21世纪前十年影响人类的十大科技突破之一。由此衍生的相关技术也已深入各行各业，尤其在无线通信、雷达隐身、减振降噪、热能转换、高精度成像、高灵敏传感等多个领域产生了颠覆性效应。本章沿着超材料发展脉络依次对研究背景、研究进展和前沿动态展开介绍，不仅从发展全局的视角系统论述我国在该领域中的典型成果与国际定位，并且从技术演进和产业布局的角度分析超材料领域的未来发展趋势与重点。
自然材料特性主要由构成材料的微观粒子（如分子、原子等）的本征属性和排列形式（如晶格化、非晶格化等）决定。但微观粒子的物理尺寸很小，仅能和波长与之可比的微观物理场（如可见光）相互作用，对宏观物理场（如微波、声波等）的操纵能力有限。为解决该难题，超材料技术通过构建尺寸介于微观粒子和宏观物理场波长之间的人工微结构，增强对宏观物理场特性的操纵能力，突破自然材料的能力边界，例如实现负介电常数、负磁导率、零折射率和等效负质量等，解决科学和技术发展的迫切需求（例如完美隐身、超分辨透镜等）。更重要的是，超材料技术仅通过结构尺寸的精细设计即可定制宏观物理场响应，颠覆了传统自然材料体系需要研究组分特性、寻找适当配比的材料合成方式，实现了基于宏观物理场认知的按需逆向设计。
追溯概念源头，超材料研究最早萌芽于电磁学领域。早在20世纪60年代，苏联科学家V.G. Veselago就设想了一种介电常数和磁导率均为负数的左手材料，并利用理论预测了该材料特有的负折射、逆多普勒效应和反向切连科夫辐射等新奇电磁现象。但是，由于当时无法合成这种特异材料，相关的科学研究也陷入沉寂。直到20世纪90年代后期，英国帝国理工学院的John Pendry爵士提出用周期排列的细金属线和开口谐振环结构在微波段分别实现等效负介电常数和负磁导率的新思想。基于该思想，美国加州大学圣地亚哥分校的David Smith教授在2001年首次实验制备了左手材料，并在实验中观测到负折射现象。**这一突破常规物理认知的材料立即引起了物理学界与工程界的极大关注和广泛讨论。**为了定义这类人工材料，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Rodger Walser教授于2000年在美国物理学会春季年会上正式提出超材料（Metamaterial）的概念，即一种通过人工构造周期结构来实现电磁谐振激发的、非天然存在的宏观三维复合材料。之后，超材料的理念被推广至声学、力学和热学等其他学科，用以实现其他反常物理特性，例如力学中的负刚度、声学中的负模量、热学中的负膨胀等。由此可见，超材料的早期研究主要着眼于探究反常的物理特性，忽视了对其应用方式的挖掘，尤其是作为材料构建范式的挖掘。
图1：超材料概念的演进示意图
**随着研究的不断深入，超材料的概念内涵和方法论也被不断丰富拓展。**特别是变换光学方法的提出，填补了超材料按需操控物理场的方法论空白，使相关研究不再拘泥于反常材料参数的实现，转而着眼于材料参数及其空间分布的按需灵活设计。例如，通过各向异性结构按需设计张量形式的非均匀材料参数实现了完美电磁隐身衣。为了更贴近应用，超材料领域的研究者进一步突破了三维立体构型的限制，相继提出了超表面（即平面超材料）、超器件和超系统等概念，甚至抛弃了传统材料参数的描述方式，转而直接通过幅度、相位、波矢量、极化等参数进行特性表征。超材料概念的演进脉络如图1所示。**总之，超材料及相关技术发展至今呈现出明显的泛化趋势，“超材料大家族”涌现出越来越多的新概念、新结构、新方法、新功能和新应用。**一般而言，具有如下两个特征的人工复合材料即是超材料：在结构方面，由人为设计的亚波长微结构按特定方式排列而成；在功能方面，具备强大的物理场操纵能力。
目前，超材料是物理、材料、电子、信息等学科的技术前沿，从根本上颠覆了材料的构建范式，提供了宏观物理场操控的一般性方案，催生出诸多从无到有的相关应用。本节将按学科分类分别介绍电磁 / 光学、声学、力学以及热学超材料相关的研究进展和前沿动态，并总结超材料技术的发展趋势及其在科学研究、国计民生和国防技术等方面的显著效用。
电磁超材料
**电磁超材料（包括微波、毫米波、太赫兹、红外及光学超材料）是研究者最先关注、影响最为广泛的超材料分支，甚至在较长一段时间内超材料一词专指人工电磁媒质。**自2001年首次在实验室制备出具有负折射特性的微波超材料以来，研究者不仅探索了诸多颠覆传统认知的电磁新理论、新方法，而且创造了诸多前所未有的新奇应用，丰富了电磁器件及系统的构建范式。
**电磁超材料发展至今，诞生了诸多具有开创性意义的新原理概念与研究方法，产生了一系列具有颠覆性影响的理论创新，极大地推动了电磁学的跨越式发展。**电磁超材料最早可追溯到Veselago提出的左手媒质（或称左手材料）概念。但直到1996年，Pendry 爵士等人才首次利用金属线阵列在微波段构造出等效的负介电常数材料，随后又提出利用金属开口谐振环阵列构造等效负磁导率材料。
2001年，美国杜克大学的Smith教授等人将这两种结构结合在一起构建了负折射率媒质，如图2所示，开启了现代超材料的研究。此后各国科学家相继开展了对超材料原理与特性的深入探索，逐步完善了电磁超材料的理论体系。例如，本章作者与麻省理工学院孔金瓯教授合作证明了具有色散特性的左手媒质亦满足时间因果性及电磁能量恒为正的特性，部分解决了当时学术界对这一新兴研究方向的质疑。事实上，左手媒质的概念并非仅存在于空间波体系中，在微波网络的体系中仍然适用。例如，多伦多大学的Eleftheriades教授和加州大学洛杉矶分校的Itoh教授证明了在二维传输线网络中由串联电容和并联电感组成的LC传输线网络可在一定的条件下等效为具有负介电常数和负磁导率特性的网络。其后，该方面的研究引起了众多微波工程师和研究者的关注，他们相继开展了一系列基于左手媒质的电路实验和功能器件研究，包括但不限于基于LC传输线网络的电磁波局域效应、凋落波放大实验、高功率密度产生、任意双波段微波器件和超宽带微波滤波器等。这一系列工作对提升微波电路性能、丰富微波电路应用场景具有重要意义。