1、超材料(metamaterial)Metamaterials（超材料）“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，目前尚未有一个严格的、权威的定义，但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。超材料的特点 metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。超材料概念前的早期雏形 多层陶瓷电容器（MLCC）多层陶瓷电容器是70年代发明的
2、一种电子元件。它是有陶瓷介质层和内电极交叠而成，相当于多个电容并联在一起，或使电容器的电极面积增加了若干倍，该“材料”的表观介电常数可高达陶瓷介质的n2倍。因此，如果我们不把多层陶瓷电容器看成是一个多层器件，而仅仅看成是由具有某一介电常数的陶瓷介质构成的单层平板电容器，即把其中的多层结构看成是一种“材料”（事实上是超材料）。70年代初，诺贝尔奖获得者江崎等提出的半导体超晶格，则是基于通过半导体能带的周期结构调制其中电子运动的调控。因此广义的讲，半导体超晶格也可以看成上一种“超材料”。超材料设计的关键“超设计”与材料中的“关键物理尺度”密切相关。材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物
3、理尺度有关。如晶体，它是自然界中物质的有序结构的一个重要形式，它的有序主要存在于原子层次，正是由于在原子尺度上的有序性调制，使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征。由此类比，在其它尺度上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质。对于材料与各种波的相互作用，波长尺度波长尺度往往是材料的关键物理尺度。光子晶体是利用关键物理尺度的控制来实现材料超常物理性质的典型例子，它是通过在波长尺度上材料的介电周期结构来实现对光子在其中运动状态的调控的。超材料涵盖的范围 光子晶体 超磁性材料 左手材料 光子晶体的提出 1987年，两位美国科学家E.Yablonovitch和S.Joh
4、n同时提出了一类在光的波长尺度具有周期介电结构的超材料光子晶体（photonic crystal）以及与其对应的光子带隙（photonic bandgap）的概念：(1)E.Yablonovitch从抑制自发辐射的角度提出了这一概念 (2)S.John则是光子的局域化角度提出的。到1998年和1999年底，由于光子晶体的研究在多方面取得突破，与光子晶体相关的研究两度被Science杂志列为当年世界上的“十大科学进展”，并被该杂志评为预测为未来的六大研究热点之一。光子晶体光子晶体折射率周期（波长量级）调制的光学折射率周期（波长量级）调制的光学介质。存在光子带隙，类似于电子之于半导体。介质。存在光
5、子带隙，类似于电子之于半导体。1987年，E.Yablonovitch和S.John独立地提出了光子带隙（Photonic Bandgap）材料的概念。光子晶体是由具有不同反射率的材料在空间交替构成的一种周期结构。由于光在与其波长相匹配的周期结构中运动时，受到周期的散射和衍射，于是便产生了光的频率禁阻，在该系统中，某些频段的电磁波强度因破坏性干涉呈指数衰减，无论横向还是纵向的振动，都无法在介质中传播，形成电磁波能隙。光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁止传播的。当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零，因此自发辐射
6、几率为零，自发辐射也就被抑制；反过来，光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子态的数目便可实现，如在光子晶体中加入杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。由于光子带隙的存在，人们可以通过设计带隙实现对各种波长光的调控，获得各种各样的新型光学器件。基于光子晶体的低阈值激光振荡器和各类低阈值的光逻辑器件基于光子晶体的全光开关和光学非线性器件光子晶体波导光子晶体高性能反射镜光子晶体超棱镜左手材料的提出 1967年，前苏联科学家维克托韦谢拉戈（Victor Veselago）提出：如果有一种材料同时具有负的介电常数负的介电常数和负的负的磁导率
7、磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它表现出反常的折射行为，能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。V.G.Veselago,The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of e and,Sov.Phys.Usp.,1968,10:509514.2002年，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来可能用于电磁波隐身等等；2006年初，Pendry等预测预言了超材料薄层能够让光线绕过物体，从而使物体隐形；2006年10月，Smith等展
8、示了这种隐身斗篷的雏形。Science 314(5801):977-980:Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies Science 2006 312(5781),1780-1782:Controlling Electromagnetic Fields 材料的电磁性质的两个重要参数：介电常数和磁导率左手材料的特性左手材料：在电磁波某些频段能产生负介电常数和负磁导率左手材料的各种效应：电磁波传播方向与能量传播方向相反；逆多普勒效应；逆Snell折射效应；逆Cerenkov辐射效应；a)“完美透镜”等奇异的电磁特性。左手
9、材料特性之一：电磁波传播方向与能量传播方向相反 即波矢的方向与能量的传播方向相反，E E、HH、K K之间满足左手定律。在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数和磁导率两个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波动方程（Helmholtz方程）为：其中2Ek E0 2222r0r0k 2Bk B0 2v自然界中物质的和一般都与电磁波频率有关，并且在 大多数情况下都为正数，此时方程(1)有波动解，电磁波能在其中传播。对于无损耗、各向同性、空间均匀的介质，由Maxwell方程组能推出 可见，、之间满足右手螺旋关系。kE Hv如果介质的和都小于零，方程(1)有波动解，电磁波能在其中传播。但是 、之间
10、不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系。这种介质就被称为“左手材料左手材料”（Left-Handed Metamaterials)通常的介质就被称为“右手材料”(Right-Handed Materials)kHE kHE kEH 0k E 0k H v如果介质的和两者之间一个为正数而另一个为负数，则k20,0)左手材料(0,0,0)左手材料(0,0,0)左手材料(0,0,0)左手材料(0,0RaysWavevectorsk 2 2n=1 1 1n 0,10)(20,20,10)(20,20,20)右手材料左手材料特性之四：逆Cerenkov辐射效应（Reversed Cerenkov Ra
11、diation）CerenkovCerenkov辐射：辐射：当带电粒子在介质中运动时，介质中产生诱导电流，由这些诱导电流激发次波，当带电粒子的速度超过介质中的光速时，这些次波与原来的电磁场互相干涉，可以形成辐射电磁波。在右手材料中电磁波激发的辐射以锐角向前散射；a)在左手材料中电磁波激发的辐射以钝角向后散射。vkzSkkrkSvkzSkkrkrkSvkzkkv左手材料中krSk2k反射體光源k2k反射体光源左手介質中Sk2k光源2k光源左手材料中S反射体(b)(a)Fig 4.一般介质与左手材料中的比较：(a)Cerenkov效应；(b)光压反常的Cerenkov效应和光压v 在 Cerenk
12、ov 辐射效应中，当一个粒子在介质中以速度 v 沿一直线运动，其辐射出的场会遵循 的形式，波向量 k(k=kz/cos)的方向会主要顺着v的方向，但kr 方向分量则在一般介质与左手材料中恰好会完全相反。v 电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料的环境之中形成对反射体的拉曳力，而不是如在一般介质中的压力。rzi(kkt)evkzSkkrkSvkzSkkrkrkSvkzkkv左手材料中krSk2k反射體光源k2k反射体光源左手介質中Sk2k光源2k光源左手材料中S反射体(b)(a)Fig 4.一般介质与左手材料中的比较：(a)Cerenkov效应；(b)光压19961999年，英国物理学家John
13、 B.Pendry将维克托韦谢拉戈的思想引入了负介电常数和负磁导率的材料的构造。他的创新性思路是：一种材料，不仅仅只认为是一个均匀的块体，它还可以拥有一些细小的单元。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构单元中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。基于这样的思想，Pendry先后提出了可能具有负介电常数和负磁导率的结构单元。即用金属条和开口金属谐振环周期性地规则排列，则有望在微波波段产生负等效和负等效。2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的Smith等物理学家等人从实验上实现了这些结构单元的负折射，即利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质;(Sci
14、ence 292(5514):77-79)他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了左手材料的存在.本文中，A.Shelby等用铜线和铜SRRs组成周期性结构，所用样品为二维周期排列的铜制方形裂环谐振器和二维金属丝阵列。2003年，左手材料被Science杂志列为当年的“十大科学进展”。2006年，由于英美两国科学家利用与左手材料的设计方法相类似的梯度超材料成功实现了“隐身斗篷”的功能，Science杂志又一次将其列为当年的“十大科学进展”。Thepermittivityofmetalisgivenby)(1)(2iepeepmne022Plasmafrequen
15、cy:wherenistheelectrondensity,andme istheelectronmassDampingfactor:0whereistheelectricconductivityInthevisibleregion,isnegativeformostmetals.Atlowerfrequencies,permittivityisimaginary.(typicallyintheUVregion)Negative withsmalllossinlowfrequenciescanbeachievedbymetallicwirelatticePendry J.B.et al.,Ph
16、ys.Rev.Lett.76,4773(1996),22arnneff)/ln(220ranemeffeffeffepmen022,100.16mr,100.53ma31710675.5mn!2.8GHzep)1.0(12epepeffilatticeconstant:radiusofwire:Obtaining electric responseDrude ModelE)(1)(2iep-5-4-3-2-101012300.511.52GapMaking0nThreecommontypesofmagneticresonatorsareBihelix(figurea)thisresonator
17、usestwoseparatestripsofthesamemetalSplit-ringresonators(SRR)(figureb)usestodifferentringsandisaverycommonchoicebutthemagneticresponsebecomessaturatedinthevisualregime.PairofNanorodsisthelastconfiguration,thiswasusedbytheauthorstogetintotheopticalregimeChettiar,et all,MRSbulletinOct2008Phys.Rev.Lett.
18、84,4184(2000)Obtaining magnetic response iFp20221-3-2-1012301200.511.52Gap iFp20221)(1)(2iepMetamaterials Resonance Properties 1-wp2w2 1-wp2w2-w02J.B.PendryFirst Left-Handed Test StructureUCSD,PRL84,4184(2000)Wires alone0000000UCSD,PRL84,4184(2000)Phys.Rev.Lett.92,117403(2004):Overcoming the Diffrac
19、tion Limit with a Planar Left-Handed Transmission-Line Lens Fig 11.Photonic Crystals:(a),(b)Holes-in-dielectric;(c)rods-in-air(c)光子晶体(PC)是由两种或两种以上的电介质材料周期性排列而成的人造材料，排列周期为波长量级，具有光电带隙，可以控制电磁波在其中的传播。在一定条件下，它也可以表现出负折射率的现象。7/24/2009ShivAshishKumarStructure for NIM7/24/200957ShivAshishKumarExperimentalver
20、ificationofnegativerefractionaLatticeconstanta=4.794mmDielectricconstant=9.61R/a=0.329Frequency=13.698GHzsquarelatticeE(TM)polarizationBilkent&ISUBand structure,negative refraction and experimental set upBilkent&ISUNegative refraction is achievable in this frequency range for certain angles of incid
21、ence.Frequency=13.7 GHz =21.9 mm17 layers in the x-direction and 21 layers in the y-directionSuperlensing in photonic crystalsFWHM=0.21 ImagePlaneDistance of the source from the PC interface is 0.7 mm(/30)Subwavelength Resolution in PC based SuperlensThe separation between the two point sources is /
22、3Fig4.Photographe of sample,consisted of square copper split ring resonators and copper wire strips on fiber glass circuit微波波段实验测量装置图 图为频率=10.5GHz时进行的折射角的测量结果，其中红线与蓝线分别为试验材料与普通材料（聚四氟乙烯）的测试曲线,从测试结果看两者折射角相差约 从而，超颖材料的负折射性在实验上得到了证明。图为实验材料在频率为f=8-12GHz时折射率的实验结果，由图可知折射率只是在一定的频率内才出现负值。并且出现负值的频段比较窄。超超级级透透镜镜
23、（完美透（完美透镜镜）Pendry在在2000年提出利用年提出利用负负折射率材料制作折射率材料制作“超超级级透透镜镜”。2000与与2001年所年所发发表的关于左手征材料的研究表的关于左手征材料的研究论论文数量分文数量分别别是是13篇与篇与17篇，篇，2002年年60篇，篇，2003年上升到年上升到100篇以上。篇以上。“超超级级透透镜镜”成像：成像：1、一、一块块平板就能构成一平板就能构成一块块透透镜镜；2、所有傅立叶分量全部聚焦；、所有傅立叶分量全部聚焦；3、能放大倏失波。、能放大倏失波。频频率率为为的偶极子，其的偶极子，其辐辐射射场场的的电场电场分量可以利用分量可以利用傅立叶傅立叶级级数
24、展开数展开为为如下形式：如下形式：倏逝波衰减很快，无法参与成像，故倏逝波衰减很快，无法参与成像，故传统传统光学透光学透镜镜参与成像的成分参与成像的成分为为故分辨率故分辨率为为 当当 ，即折射率，即折射率 时时，由菲涅，由菲涅尔尔公公式得知此式得知此时时反射系数反射系数为为0，即，即传传播波无播波无损损失地参与了成像。失地参与了成像。波波传传播一段距离播一段距离z的效的效应应相当于复振幅乘以相当于复振幅乘以 。对对于倏逝波，相当于于倏逝波，相当于场场的指数衰减或者增的指数衰减或者增强强。由于左手介由于左手介质质和右手介和右手介质质中波矢中波矢k的方向恰巧相反，所以的方向恰巧相反，所以右手介右手介质质中的衰减中的衰减场进场进入左手介入左手介质质后后变为变为增增强场强场，相当于，相当于左手介左手介质对质对其其进进行放大，放大后的倏逝行放大，放大后的倏逝场经过场经过透透镜镜右端右端进进入右手介入右手介质质后重新衰减，最后在像平面上恢复后重新衰减，最后在像平面上恢复为为原来的原来的值值，参与成像。参与成像。1n倏逝波参与成像此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！
