负折射率材料

超颖材料（Metamaterials）的发展

李雄SC08009037 机密机械与精密仪器系本人博士阶段的课题方向为超颖材料（Metamaterials）的设计与应用。Metamaterials这一概念在提出之初，通常指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质)，因此它又称负折射率材料、左手材料或双负材料，这在自然界中并不存在。然而随着这一新兴领域的发展，其研究范围被不断扩展，目前，它的范围已包含负折射率材料，单负材料（人工复介电常数材料(ε)和人工复磁导率材料），人工超低折射率材料和超高折射率材料等等。Metamaterials是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，正因为其具有自然界物质不存在的奇异特性，因而受到广泛关注，并已在其相关的几个实际应用领域显示出了巨大的应用前景。

1、Metamaterials的发展概述

拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial 一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。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”。

从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征：

（1）metamaterials通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）metamaterials具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）metamaterials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。

尽管metamaterials的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。

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和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它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。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，

因此，Veselago的预言未能得到科学界的重视，到了20世纪90年代，Veselago 的猜想几乎被人遗忘。

直到20世纪90年代中后期，英国物理学家John B. Pendry的工作使韦谢拉戈物质的研究出现了柳暗花明的前景。Pendry将metamaterials的思想（尽管当时metamaterials一词未被使用）引入了负介电常数和负磁导率的材料的构造。他的一个创新性思路是，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。在此基础上，美国科学家David R. Smith等人从实验上实现了这些结构单元的负折射。Metamaterials一词，连同具有负折射的“左手材料”一起引起了世界科学界的关注。

“超材料”重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，也体现在它提供了一种全新的思维方法――这种思维方法对材料科学家来说是非常宝贵的，因为它为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。

当然Metamaterials能在最近十年内异军突起，成为学术和工程界的研究焦点，不仅仅因为其巧妙的物理思想，也在于它已在多个相关实际应用领域显现出了巨大的应用前景。

2000年，Pendry提出通过Metamaterials实现电磁表面波倏逝波的放大，可以克服一直以来困扰传统光学的衍射极限问题，从而得到可以实现亚波长结构完美成像的超透镜（Superlense）。这一思想在微生物成像，超高精度纳米光刻等领域的影响是巨大的。从此，应用Metamaterials实现超透镜的研究方向因应而生。

2002年，法国科学家Enoch应用金属网格结构设计了一种超低折射率介质，并将其应用于微波天线，使得天线的方向性得到巨大提高。文章应用简单的Snell 定理对其进行了很好的解释，从而激发了各国微波通信工作者对其巨大的兴趣。应用Metamaterials思想设计高性能微波天线的全新领域从此诞生。

2006年，Pendry和Smith等人应用空间变换的方法，得出一个结论：可以通过设计折射率的分布来对物体实现隐身，即电磁屏蔽（cloak）。同年，该思想

就得到了微波实验的证实。此结果一经发表，在科学界引起了巨大反响。各国报道纷纷将其与哈利波特的隐身衣相比，2008年，Pendry也因该项成果被英国《新科学家》杂志评选为2008年8位科学英雄之一。自06年超材料实现隐身技术的提出到目前09年，短短的3年时间内，这一领域的发展可以用突飞猛进来形容，声学波的clock，水波clock，乃至物质波的clock的思想被相继提出，一个全新的隐身技术领域正在逐步形成。

2、Metamaterials相关的重要文献

应该说有关Metamaterials的重要文献有很多，我在这里仅对本人认为的具有奠基意义的文献作下列举：

首先当属Veselago 68年发表的经典之作，在这篇文献中，负折射率的思想首次被提出，并对其性质做了一定的推导。该作67年发表于俄语版的杂志，68年被翻译成英文。该文献日前查到引用次数已达2985次，其原文在附录中。[1] V. G. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of

and μ, Sov. Phys. Usp., 1968, 10: 509~514.

68年，超材料概念的提出并没有受到科学界的关注，近年来这一领域的兴起，其最大的功劳必然要归功于Pendry 分别在96年和98年发表的两篇文章，这两篇文章分别用两种不同的结构设计实现了复介电常数和复磁导率。

[2 J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, and I. Youngs, Extremely low frequency plasmons

in metallic mesostructures, Phys. Rev. Lett., 1996, 76: 4773~4776.

[3] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart, Magnetism from conductors and

enhanced nonlinear phenomena, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1999, 47(11): 2075~2084.

2001年Shelby等人将调介电常数和调磁导率的结构融合在一起，实验上证实了负折射率的存在。

[4] R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, Experimental verification of a negative index of

refraction, Science, 2001, 292:77~79.

物理思想固然重要，但实际应用才是一个领域长盛不衰的源泉。下面三篇文献分别列举了Metamaterials在超透镜、天线和电磁隐身三大应用领域的应用，可以说是这三个方向的经典奠基文献