加州理工學院探究項目

用于相位調制的金屬-介質混合超構表面

課題簡介

超構材料（Metamaterial）指的是一類具有特殊性質的人造材料，這些材料是自然界沒有的。超構材料是一個跨學科的課題，囊括電子工程，凝聚態物理，微波，光電子學、經典光學、材料科學、半導體科學以及納米科技等等。超構材料擁有一些特別的性質，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質，而這樣的效果是傳統材料無法實現的。

超構材料的成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質源于其精密的幾何結構以及尺寸大小。其中的微結構，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。超構材料的奇異性質使它具有廣泛的應用前景，從高接收率天線，到雷達反射罩甚至是地震預警。

該項目中，我們將學習超構表面的工作原理，運用布洛赫原理將模型簡化并計算一種用于相位調制的金屬-介質混合超構表面，深入理解幅度和相位調制等電磁特性。

 

科研方法

計算機仿真模擬

計算機仿真模擬是一種運用計算機軟件建立抽象模型、模擬真實條件并進行分析的技術。與傳統的實驗相比，計算機模擬技術通過數學建模，解放了普通實驗對于器材的苛刻要求，具有可多次進行、反復試錯的優點。同時，由于計算機模擬技術黑箱化了復雜的理論推導與數據計算，能夠以直觀的方式呈現研究的成果，對于初次涉獵科學研究的高中生而言，也更為簡單易學、容易上手。

例如：在設計外太空的衛星軌道時，受制于客觀條件，科研工作者無法在地球上重現外太空的環境，因此，只能借助計算機強大的運算能力，對外太空的情況和衛星的軌道進行模擬、反復實驗，并基于模擬實驗的結果，完成科學的軌道設計。

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授課導師

1. 加州理工學院博士

2. 多次以第一作者身份在optics express等重要期刊上發表學術論文

3. 研究方向：電子工程、光學

 

課題要求

本課題適合： 9-12 年級學生，有較強的邏輯思維和抽象思維能力

1. 英文：
（1）具備基本的學術英語閱讀能力；
（2）接觸過英文寫作，有論文寫作經驗者更佳；

 

2. 數學：
（1）統計基礎；
（2）微積分和線性代數基礎；

 

3. 計算機：
（1）Python 基礎 （基礎數據結構、條件、循環、方法）；
（2）Numpy, Pandas, Seaborn, Scikit-Learn （了解這些工具的用途、如何利用技術文檔即可，具體使用可以在課程中逐漸掌握）