左手材料理论
负折射率材料的特点及其应用
sin2 v2 11 n1
此式被称为Snell定律。
.
理论分析
在Snell定律中，定义
n
22 11
rr
但是在一般条件下，有
n2rr,nrr
这个负号不能随意去掉，也就是说负折射 率不违背理论
.
理论分析
从 μ<麦0时克，斯矢韦量方Ê程，组磁的感旋应度强公度式H来和看波，矢 当k遵循 右手规则；
.
负折射率材料的反常规现象
.
负折射率材料的反常规现象
逆Cerenkov辐射
•高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行，当粒子速度大 于光在这种介质中的相速度时，就会激发电磁波。这种 现象就叫做Cerenkov辐射。
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负折射率材料的反常规现象
反常光压
• 光压就是射在物体上的光对物体所产生的压力。 • 一束入射的平面单色光波可以看作是光子流，其中每个光 子携带的动量p=hk。假设光束在介质表面发生全反射。
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负折射率定义
负折射率材料也称为左手材料（left handed medium），简写为LHM。指的 是介电常数ε、磁导率μ、折射率n同时为 负的介质。介质中电场、磁场和波矢三者 构成左手关系，波的折射不遵循斯涅尔 （Snell）定律。
.
.
理论分析
AC、BE为波前，
A BCsiBn11t C ECsiBn22t
Goss-Hanchen位移是由于在低折射率区的倏逝波把入 射光束能量沿着反射界面传输引起的。位移的大小仅仅与 两种介质的相对折射率以及入射光束的方向有关。在两种 PIM介质的分界面上，能量将向右传输，横向位移向右； 但是，当光束由PIM入射到NIM中，且发生全反射，在 NIM中，能流方向与波矢方向相反，导致横向位移会向左。
左手材料
均为右手材料
材料手性相反
均为左手材料
右手材料 右手材料
θ1
右手材料 左手材料
θ2
θ1
左手材料 左手材料
θ1
|nlago Lens
衰减波（倏逝波） 折射率为虚数
1968年前苏联科学家预言了左手材料的存在
左 手 材 料 的 发 展
英国帝国理工学院Pendry从电磁场Maxwell方程和物质本构方程出发， 通过理论计算指出：间距在毫米级的金属西线构成的格子结构具有类 似等离子体的物理行为，在一定条件下出现负的介电常数。另外，利用 非磁性导电金属片构成开环共振器并组成方阵，可以实现负的磁导率。
对于无损耗、各向同性和均匀的自由空间，Maxwell方程组可表示为：
正弦时变电磁波 的波动方程 （Helmholtz） 以一定频率作正 弦振荡的波称为 时变电磁波（单 色波）
假设电磁波沿x轴方向传播，其场强在与x轴正交的平面上各点具有相同的 值，即E和B仅与x，t有关，而与y，z无关，这种电磁波称为平面电磁波，其 波阵面为与x轴正交的平面。方程演变为一维常微分方程。
如果ε ，μ 都为负数，此时K有实数解，电磁波能在其中传播。
？
此时
K,E,H不在满足右手螺旋关系，而满足左手 螺旋关系，这种介质被称为“左手材料” ” （left handed materials:LHM）。
电磁波能流方向即为群速度方向（坡印亭矢量S的方向）。
右手材料中，S和K（电磁波相位的方向）的方向总是相同，相速度 和群速度方向一致。
左手材料
左手材料一、概念的提出左手材料就是介电常数ε<0、磁导率μ<0的材料，是一种人工制备的亚观材料，在自然界中不存在天然的这类材料. 当介质的介电常数和磁导率都为正值时，根据电磁波理论可知介质中的电场、磁场和电磁波传播常数(E、H、k)三者之间构成右手螺旋关系，所以这类物质被称为右手材料(right一handed materials，RHMs)。
而左手材料是指介电常数和磁导率同时为负数的材料，在这种介质中，电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成左手螺旋关系。
这是一种新颖奇异的材料,其通常也称负折射率材料。
1996年Pendry提出了金属线周期结构，首次制备出这个亚观的左手材料。
2001年，加州大学San Diego分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质。
2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。
2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。
2003年美国Parazzoli C G等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据与模拟计算非常吻合，都晰而显著地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在。
二、左手材料的性质材料与电磁波的相互作用主要体现在材料的介电常数ε和磁导率μ这两个物理参数上。
在第一象限中,ε>0,μ>0,自然界中的绝大部分材料均处于这一象限.有少部分材料在某些状态下会处于第二象限(ε<0,μ>0),如等离子体及位于特定频段的部分金属.当ε<0,μ>0时,折射率n= √ε√μ为虚数.这意味着在这种材料中电磁波只能是消逝波(evanescent waves),因电磁波只能在折射率为实数的材料中传播.处于第四象限中的材料,其ε>0,μ<0,因而折射率也为虚数.电磁波入射到处于第四象限中的材料的行为与入射到第二象限中的材料的行为相似。
左手材料负折射率材料
应用拓展
进一步拓展左手材料在通信、雷达、传感等领 域的应用。
跨学科合作
加强与物理学、化学、生物学等学科的合作，共同推进左手材料的研究与应用。
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左手材料负折射率材料
目 录
• 左手材料简介 • 负折射率材料的特性 • 左手材料与负折射率材料的关系 • 左手材料负折射率材料的研究现状与展望
01 左手材料简介
定义与特性
定义
左手材料是一种具有负折射率的人工 复合材料，其介电常数和磁导率同时 为负。
特性
具有负的折射率、负的切向波速、负 的切向波长等特殊性质。
在通信领域，负折射率材料有望 用于构建更高效的光子集成电路，
提高信息传输的速度和容量。
在成像领域，负折射率材料可以 用于制造超分辨率成像设备，提
高成像的清晰度和分辨率。
在传感领域，负折射率材料具有 高灵敏度和快速响应的特点，可 用于构建高精度的光学传感器。
03 左手材料与负折射率材料 的关系
左手材料的负折射率特性
02
负折射率的出现，打破了传统光 学理论中关于折射率的定义，为 光学研究带来了新的思路和可能 性。
负折射率材料的实现方式
通过特定结构设计，使得材料在特定 频率的光波下表现出负的折射率。
目前实现负折射率材料的方法主要有 两种：一种是采用周期性结构的设计 ，另一种是通过使用复合材料。
负折射率材料的应用前景
面临的挑战
稳定性问题
左手材料在外部环境变化下容易失去负折射率特性， 需要解决稳定性问题。
制备难度
目前左手材料的制备工艺较为复杂，需要进一步优化 制备方法。
损耗问题
左手材料存在较高的介质损耗，限制了其在某些领域 的应用。
左手材料-负折射率材料
借鉴自然界中的原子和分子结构，设计新型的人工原子和分子结构， 以实现更高级的左手材料功能。
多物理场调控材料
探索在电磁场、温度场、压力场等多物理场作用下，左手材料的性 能变化和调控机制，为新材料的研发提供理论支持。
技术创新与应用拓展
高效制备技术
研发新型的制备技术，实现左手材料的快速 、低成本、大规模制备，以满足市场需求。
引领科技革命
左手材料在通信、能源等领域的应用前景广阔，有望引领新一轮 的科技革命。
促进交叉学科发展
左手材料涉及物理学、化学、生物学等多个学科领域，其研究将 促进交叉学科的发展和融合。
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05 左手材料面临的挑战与解 决方案
材料稳定性问题
总结词
左手材料的稳定性问题是限制其应用的关键因素之一。
详细描述
左手材料在外部环境变化下容易发生结构变化和性能衰退，这会影响其负折射率的稳定性和可靠性。
制备成本问题
总结词
高昂的制备成本是阻碍左手材料广泛应 用的重要因素。
VS
详细描述
目前，左手材料的制备通常需要复杂的实 验设备和精细的工艺控制，这导致了较高 的制造成本。降低制备成本是推动左手材 料普及的关键。
应用领域
微波器件
利用左手材料的特殊性质，可 以设计出性能优异的新型微波
器件，如滤波器、天线等。
光学领域
左手材料在光学领域的应用前 景广阔，如光子晶体、光学隐 身等。
军事领域
由于左手材料具有反向的 Doppler效应等特性，可以应 用于军事雷达和隐身技术。
生物医学
左手材料在生物医学领域也有 潜在的应用价值，如医学成像
左手材料的研究概述
由此 可 知 ，在 左 手 介 质 中 ，波 的相 位 传 播
但是在接 下来的３ Ｏ 多 年 里 ，并 没 有 在 实 验 中观 矢 量Ｋ 、 电场 强度Ｅ ＊ ｎ 磁 场强度Ｈ 与 常规介 质相 察 到 理 论所 预 言 到 的现 象 ，所 以 左 手 材 料 并 没 同，也是相互 垂直的 ，可 是不同的是 ，常规介 有 得 到 深 入 地 研 究 。直 到 １ ９ ９ ６ 年 英国的皇家科 质 的Ｅ 、Ｈ ￣ Ｉ ］ Ｋ 之 间 满 足 的 是 右 手 螺 旋 关 系 ， 而 左手介 质 中的Ｅ 、Ｈ 和Ｋ Ｚ 间满 足 的 是 左 手 螺 旋 列 ， 电磁波 射 入 金属 丝 阵列 得到 负 的介 电常 关系。这 也是 为什么人们把 介 电常数和 磁导率 数 。 三 年 之 后 ， 他 又 利 用 开 口 的 金 属 谐 振 环 同时为 负数的介质称 为左手介 质的缘 故。 （ Ｓ Ｒ Ｒ ，Ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ ） ，在 特 定 入射 波 同时 ，多普勒 效应、切伦科夫辐射 、辐射 的 条 件 下又 获 得 了 负 的磁 导 率 。２ ０ ０ ０ 年 ，美 国 压 力、原子 自发辐射效率 、对倏逝波 的作用、 的科学家Ｄ ． Ｒ ． Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ 研 究小组在Ｐ ｅ ｎ ｄ ｒ ｙ 等人研 究 光 子 隧道 效应 等 会 发 生 异常 。 的 基础 上 ， 将 Ｓ Ｒ Ｒ Ｓ Ｎ Ｒ ｏ ｄ ｓ 合 理 地 组 合 起 来 ，首 次 ３ ． 左 手 材 料 的结 构 设 计 得到 了同 时具 有 负的 介 电常数 和 磁 导率 的物 因为至今在 自然 界并没有发现左手 介质， 质 ， 从 此 以 后 ， 越 来 越 多 的 人 投 身 到 左 手 材 料 目前人们在实验 或者工程 中用到的左手介 质样 的研 究 热潮 中 ，左 手材 料 被 “ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ”杂 志 评 品都是人为设计 的，是一种 复合材料 。大 部分 为２ ０ ０ ３ 年度十大科技 突破之一 。尤其 是在最近 都 是在 微波 印刷 电路板上刻蚀 各种各样不 同的 几年来 ，左 手材料 的研 究在理论和应 用上都取 周 期性 的图案 来实现等效左 手特性 的。各个方 得 了 显 著 的 成 绩 。 并 且 逐 渐 改 变 着 我 们 的 生 面 还 远 远 没 有 能 够 达 到 人 们 对 左 手 材 料 的 期 望 活。 并且确实可 以改变人们生产 生活的程度 。在 由 ２ 左 手 材 料 的 基 本 原 理 结 构 决 定 材 料 性 质 方 面 ，左 手 材 料 既有 与 传 统 而 电磁 波要 在 介质 中存在 ，必须 满足 与 材料相 似 的一 面也有截然不 同的一面 。相 似之 介 质的 电磁 常数和 电磁波 参量相关联 的波动方 处 主 要 表 现 在 与 晶 体 的对 比 上 ， 晶 体 是 由 规 则 程 ，Ｈ ｅ ｉ ｍ ｈ ｏ ｌ ｔ ｚ 方程： 分 布 在 空 间 中 的 原 子 或 分 子 组成 的 ，并 且 晶 体
左手材料的研究及应用
一
、
研 究 概 况
ＬＨＭ ｓ 是近年来国际物理 学和电
学等 单位 均有科学 家先行涉足这一领 域 的研 究 。 中国国家 自然 科学基 金 委
将左手材料和负折射效 应的研究 列入
了 ２ ０ 年 重 点 交 叉 项 目指 南 中， 在 ０５ 并
磁 学一 个全 新 的研 究领域 。 目前 如何
由于空 间通信 与微 波（ 频） 射 武器
等 领域 对 天 线 的要求 日益 提 高， 因此 要求 天线 具 有 高定 向性， 以确保 通 信
的 保 密 性 和 高 效 性 ； 求 低 质 量 ， 具 要 以
完 成 ， 获 得 具 有 自主 知 识 产 权 的 将 左 手材 料 和 电调 波 束 扫 描 天 线 等方 面 的应用 器件 ， 进 外 场对体 系 电磁 促 性 能 的调 控 和 亚 波长 金 属微 结 构测
及 在 强 色散 体 系 中静 态 和 动态 的 电
磁 模拟仿真系统 ， 获得 非 均 匀 左 手 材 料 在 平 面 高 方 向性 天 线 、 间 飞 空 行 器 天 线罩 及 电调 波 束 扫 描 天 线 中
的应 用 。
二 用现 状 应
随着对左 手材料制备和物理特 性
等研 究的 深入 ， 科学 家们已经 开始 尝 试研 究开发 左 手材料 的 市场 应用。 目 前， 因为 红 外及 可见 光 波段 左 手材 料 的制备 技术 还 不成熟 ， 以 左手材 料 所 的市场应 用研 究 集 中在微 波 波段 ， 特 别 是用 在 天 线及 射 频 武 器 领域 。 ３ 表 列 出了左 手材料的 已知应用领域 。
提 高 Ｌ Ｍ 能 ， 计 一 种 性 能 稳 定 、 ｓ Ｈ 性 设
左手材料的奇异特性研究
左手材料的奇异特性研究摘要：左手材料是一种介电常数ε和磁导率μ都是负的人工周期结构材料，在其中传播的电磁波的群速度与相速度方向相反，从而呈现出许多起义的特性。
本文介绍了左手材料的基本概念、原理、奇异的特性以及其潜在的应用。
关键词：左手材料；反常折射；能流的方向和波矢方向相反；消除手机辐射；隐身术；引言在谈左手材料之前，先说一下什么是右手材料。
对于一般电解质而言，介电常数ε和磁导率μ都是非负的常数，由有麦克斯韦方程可知，在ε和μ都为正值的物质中，电场、磁场和波矢之间构成右手关系，我们称这样的物质为右手性介质（RHM）。
1968年，前苏联物理学家Veselago在理论上研究了介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学特性，他发现与常规材料不同的是：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系，他称这种假想的物质为左手性介质（LHM）。
他还指出，左手性介质中电磁波的行为与在右手性介质中有很大的不同，比如光的负折射率、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。
1996年尽管左手性介质有很多新奇的特性，但在自然界中人类尚未发现真实存在的左手性物质，因此它还主要处在实验室研究阶段。
目前左手性材料的研究仍是科学的热点项目。
一、何谓左手性材料在经典电动力学中，对于无损耗、各项同性、空间介质均匀的自由空间，Maxwell方程组为：正弦时变电磁波的波动方程（Helmholtz方程）为：其中n代表折射率，c是真空中光速。
自然界中物质的ε和μ一般都与电磁波频率有关，如果不考虑任何能量的损耗，在正常的介质中，n、ε和μ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、各项同性、空间介质均匀，有Maxwell方程组能推出平面电磁波方程为：且有可见，电磁波是横波，波的相位传播矢量K和电矢量E和磁矢量H互相垂直，并且K、E、H之间满足右手螺旋关系。
这种常规的介质就被称为“右手材料”（Right - Hand Materials）。
左手材料(Left-Handed
自然界中物质的μ和ε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 右手材料 左手材料 ( < 0, < 0) Maxwell方程组能推出 ( > 0, > 0)
光刻蚀技术(photolithography) 近场光学显微仪 (near-field optical microscopy) 可选波长的滤光器 (wavelength-tunable filter) 光学显示器 (optical displays)
Fig 5. (A) A negative index metamaterial formed by SRRs and wires deposited on opposite sides lithographically on standard circuit board. The height of the structure is 1 cm. (B) The power detected as a function of angle in a Snell’s law experiment performed on a Teflon sample (blue curve) and a negative index sample (red curve). Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77
折射光仍然满足Snell定律 n1 sin 1 n 2 sin 2
E1
H1
1
( 1 >0, 1 >0 )
v k k
H2
v S S
左手材料基本知识
左手材料基本知识总结1 引言19世纪60年代，Maxwell方程组的提出极大地促进了人工复合电磁材料的发展。
人工复合电磁材料是指自然界中并不存在，而是人们根据电磁场理论推导、计算、设计并且制备出来的，具有特殊电磁属性的人造媒质或材料。
它通常是由两种或两种以上的自然界物质（主要是金属和电介质）按照一定的规则组成。
在众多人工复合电磁材料的研究中，最具代表性的是光子晶体带隙（photonic crystal band-gap，PBG）材料和左手材料（left-handed materials，LHMs）。
虽然左手材料仅在最近十年才得到深入研究，但其在物理学、材料学、光学、力学和应用电磁学等领域所产生的影响力丝毫不逊于光子晶体。
左手材料由于介电常数与磁导率同时为负而具有多种特殊的电磁性质，在精密仪器、智能控制和通讯系统等领域具有不可估量的应用价值。
在左手材料研究工作的基础上，超材料（metamaterials）的概念又被历史性地提出，这使得人们对材料的认识水平上升到了新的高度。
继“负折射率左手材料”被美国Science杂志评为2003年的世界十大科技突破之后，“超材料隐身斗篷”再次被评为2006年的世界十大科技突破之一。
2007年，超材料又被美国的材料领域权威综述杂志Materials Today评选为材料科学领域在过去50年间的十大进展之一。
以左手材料为典型代表的超材料开辟了新的研究领域，正在推动着新一轮的技术革新。
在世界上第一种人工左手材料制备出不久，科技界就预言左手材料能够给天线领域带来革命性的变化。
近几年的相关研究表明，左手材料及单负材料（独立具有负介电常数或负磁导率性质）已经在天线上显示出了巨大的优势。
国内外众多的科研小组在这个领域开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。
与传统天线相比，利用左手材料及单负材料设计出的新型天线具有性能和结构上的双重优势，在商业和军事上均有广阔的应用前景，同时将对人类生活产生深远的影响。
左手材料的研究概述
左手材料的研究概述作者：李海雄来源：《电子世界》2013年第06期【摘要】随着研究的深入，左手材料的相关理论不断得到完善，应用逐渐深入，左手材料的物理特性也得到了优化。
本文对左手材料的发展历史，基本原理，区别于传统材料的特性和最近的结构设计进展作了简要的介绍。
【关键词】左手材料；负折射；负磁导率1.引言左手材料（Left handed material），作为一种自然界至今并未发现，人工合成的周期结构复合材料（A composite or structured material that exhibits properties not found in naturally occurring materials or compounds）。
是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的。
而Veselago于1968年在文章中[1]，根据Maxwell方程组，分析了电磁波在其中传播时，与常规介质不同，、和之间满足左手螺旋关系而不是右手螺旋关系。
但是在接下来的30多年里，并没有在实验中观察到理论所预言到的现象，所以左手材料并没有得到深入地研究。
直到1996年英国的皇家科学院院士J.B.Pendry把金属丝（Rods）均匀排列，电磁波射入金属丝阵列得到负的介电常数。
三年之后，他又利用开口的金属谐振环（SRR，Split ring resonator），在特定入射波的条件下又获得了负的磁导率。
2000年，美国的科学家D.R.Smith研究小组在Pendry等人研究的基础上，将SRR和Rods合理地组合起来，首次得到了同时具有负的介电常数和磁导率的物质，从此以后，越来越多的人投身到左手材料的研究热潮中，左手材料被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一。
尤其是在最近几年来，左手材料的研究在理论和应用上都取得了显著的成绩。
并且逐渐改变着我们的生活。
2.左手材料的基本原理3.左手材料的结构设计因为至今在自然界并没有发现左手介质，目前人们在实验或者工程中用到的左手介质样品都是人为设计的，是一种复合材料。
左手材料-双负材料-科普知识-ppt
左手材料的人工实现
1. 微波段双负材料的实现
① 金属谐振结构左手材料的实现 目前，对于左手材料人工等效实现的研究，主要集
中在以金属谐振结构为基础的人工等 效实现研究，通 过 SRRs 周期结构形式的改进及研究，完成左手材料的 人工等效实现。
2000 年美国加州大学 San Diego 分校的科学家 D.R.Smith 等采用电路板刻蚀技术制备了铜 SRRs 和铜线 并周期性排列成结构材料，并测量了其微波透射曲线。 大于共振频率ωm 的范围内体系出现负的磁导率。
r为金属线半径； a为晶格常数； co为真空中光速。 因此，调整阵列的晶格常数和金属杆半径可实 现红外、THz波段的负介电响应。 Zhang课题组实现了红外和THz波段的负介电响 应。
负磁导率问题：
采用微结构单元替代磁性材料中的原子和分子 可寸实SR现Rs高按20频比04年磁例T响缩．应小J．。时YP，eenn其等dr采磁y理用响论光应研刻可究蚀扩表技展术明到加当红工单外元波尺 段而制不备能了扩结展构到单可元见为光30µ波m段左。右的铜SRRs阵列，
问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射
率多。年到苦当寻时，为没止所能有找已到知满的足物的质材都料拥有，正其折 射率。 猜想也被淡忘。
双负材料的实现关键是介电常数和磁导率同时 小于零，即系统中必须存在两个独立的谐振(电谐
振 起来和当比磁ωp较谐>困振ω时难)，，。且可谐以振使的频介段电要常有数重为叠负部值分。，实现
⑤ 反常切伦柯夫辐射
当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围 引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度 超过介质中光速时，这些次波和原来粒子的电磁 场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫 辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相 面是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向 辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角， 即能量辐射的方向和粒子运动方向夹角θ。θ由 式子cosθ=c/nv确定，其中v是粒子运动的速度。 而在负群速度介质中,能量的传播方向和相速相 反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出,辐射 方向形成一个向前的锥角。
电磁超材料左手材料报告
左手材料是电磁超材料的一种特 殊类型，具有负的折射率和负的 磁导率，能够实现电磁波的逆寻
常折射和聚焦。
研究意义
探索电磁超材料的物理机制和 设计原理，为新型电磁器件和 系统的研发提供理论支持。
研究左手材料的特殊性质和应 用，推动相关领域的技术进步 和产业发展。
为解决电磁波干扰、隐身技术 等实际问题提供新的思路和方 法。
02 电磁超材料左手材料的基 本理论
左手材料的定义与特性
左手材料的定义
左手材料是一种具有负折射率、负磁导率和负阻抗率的人工 复合材料。
左手材料的特性
具有负的折射角、逆多普勒效应、逆切伦科夫辐射等特殊电 磁性质。
电磁超材料的原理与性质
电磁超材料的原理
通过在亚波长尺度上精心设计材料的 微观结构，实现对电磁波的异常响应 。
03
可以在更广泛的频段内实现各种异常物理效应。
03 电磁超材料左手材料的制 备方法
常见制备方法
微纳加工技术
通过光刻、
结构。
胶体自组装
利用分子间的相互作用 力，将不同功能的纳米 粒子自组装成左手材料
结构。
3D打印技术
通过3D打印技术，将左 手材料粉末逐层堆积成
实验和理论研究表明，电磁超材料左手材料在隐身技术、 天线设计、光子器件和量子技术等领域具有广阔的应用前 景。
研究展望
需要进一步研究电磁超材料左 手材料的物理机制和设计原理 ，以实现更高效、稳定和可控
的电磁性能。
需要探索电磁超材料左手材料 在不同环境和条件下的应用，
以拓展其应用领域和范围。
需要加强与其他领域的交叉合 作，如信息科学、物理学、化 学和生物学等，以促进电磁超 材料左手材料的创新和应用。
左手材料
如果电容率和磁导率同时为负值，那 么，E、H与K之间将满足左手关系。由 于这个原因，这种介质将成为左手材料， 又称为“双负介质”。
Z S" θ" O
θ θ'
ε2<0,μ2<0 ε1>0,μ1>0
K'
K负折射光路图Fra bibliotek2、理想透镜效应
相对于普通透镜，左手材料构成的透镜有许 多奇异的效应。特别是左手材料平板透镜 会出现类似于一般凸透镜的聚光效果，它 没有固定光轴，不受傍轴条件的限制，且 成正立、等大的实像。更重要的是这种平 板透镜不仅能够捕获光场的传播波成分， 而且能够捕获倏逝波（全反射情况下的表 面波）成分，光场的所有成分都无损失的 参与了成像，突破了衍射极限。从这个意 义上讲，左手平板镜为“完美透镜”。
虽然从坡印亭矢量(S=E×H)定义可知S 不显含μ ，E、H与S仍满足右手关系，但 是S与K反方向，这说明对于左手介质中 传播的平面波，其相速度和群速度方向 相反。
1、负折射现象
如下图所示，设下半空间为正常材料， 上半空间为“左手材料”，介质分界面在 xy平面，入射波、反射波和折射波均在xz 平面（即ky=ky'=ky"=0)。因为在左手材料 介质中，折射波既要满足S"与K"反方向， 又要满足kx=kx",所以折射波和入射波必须 出现在界面法线（沿z轴正方向）的同一侧， 这种现象被称为负折射现象。
ε<0 μ<0
理想透镜效应
左手材料
1. 2006年，Sehurig和Smith等展 示了这种“隐身斗篷”的雏形。 2. Landy和Padilla提出了一种新的 超材料设计思想，这种新的超材料 可以完全吸收辐射到其表面的电磁 波的电分量和磁分量．这种“完美 超材料吸收器”也可能为新一代抗 电磁干扰器件提供一种全新的思路 。
理论研究
1、用于天线 2、用于谐振装置 3、用于超薄雷达吸波
左手材料
左手材料构成的开放式谐振腔
基于Ω形结构的左手材料
磁响应频率在200THz开口谐振单环阵列
红外波段的左手材料
左手材料设计 左手材料按设计要求弯曲 电磁波或者入射光．或者左手 材料制造的兵器可能将光线或 雷达波反向散射出去，从而实 现隐形功能、抗电磁干扰功能
1968年．俄罗斯科学家V．G． Vesalago首次提出一种在某一频 段内介电常数与磁导率同时为负的 材料．并从Maxwell方程出发研究 了电磁波在这种介质中传播的状况 ，从理论上指出这种材料的存在是 不违反物理学定律
人工等效实现的实验研究
一．以D．R．Smຫໍສະໝຸດ th教授等人 提出的金属谐振结构为基础的结构 ．通过该结构形式的变化．可进行 左手频带范围扩展和降低损耗的研 究
目录
1.左手材料的定义、实现与应用 2.左手材料设计和制备研究进展 3.左手材料的研究动态与展望
左手材料的定义
“左手材料”是指一种介电常数和磁导 率同时为负值的材料。电磁波在其传播时， 波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手 定律，因此称之为“左手材料”。它具有 负相速度、负折射率、理想成像、逆 Doppler频移、反常Cerenkov辐射等奇异的 物理性质。“左手材料”颠倒了物理学的 “右手规律”，而后者描述的是电场与磁 场之间的关系及其波动的方向。
浅析双负材料的原理及应用
八射
同时，双负材料 的磁导率和介电常数都将 随电 磁波频率变化而变化 ，即双负材料 是色散的．【 对 应于非色散材料而言 ，存储在其 中的电磁能量密度
１ ．
Ｗ ＝二（Ｅ １－ １ ｅ ＋／ ／ ／
为： ｚ ． 如果材料是 ＆ 都是
＼／常＼ 屣 ／一 ， 介介 ／ 质 １ 正
行时，观察者观察到的信 号源频率会增加；当信号 源和观察者反方向运动时 观察者观察到的信号频
率将会 降低．如果观察者站在铁路边 ，火车在迎面
在垂直于界面的法线方向上 ：
１－１ ２ ｚ ， Ｆ ＝ Ｅ． ￣ １ １ ｌ ｕ２ ２ ． Ｈｎ＝ Ｈｎ ｔ
当电磁波从普通介质射入普通介质时，界面上
贺 繇
（ 宜宾 学院物理 与电子工程 学 院，四川 宜宾 ６ ４ ０ ） ４ ０ ０
摘 要：双负材料 （ 又称左手材料 ） 指介 电常数和磁 导率均为负的材 料，双负材料具有 与 是 普通材料不同的电磁特性． 双负材料在实验上取得 了突破 性的进展 ， 各种特性逐渐被 实现， 文章对 双负材料的原理和应用进行 了研 究． 关键词 ：双负材料；负折 射；逆多普勒效应
中图分类号：０ ３ ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号：１ ０－ １ ５（ ０ １ ３ ０ ４— ４ ０９ ８ ２ １ ）０ — ０ ９ ０ ３
自然界 中，几乎所有物质 的介 电常数 ｅ 及磁导率 ｕ都为正值． 电磁波在 介质 中传播 时，波矢 Ｋ，电场 Ｅ和磁场 Ｈ之间的关系符合右手定则 ．而当介 电常数及磁导率都为负值 时，电场、磁场和波矢之 间构成左
ｎ２
：１ —— ： ｎ ： 一 ：一 ＝ ＝一 ＝一 ，
， 此时 成
理
变
左手材料的特性研究
ｒ
ｔ） ａ
（） ｂ
图 １平 面 电 磁 波 传 播 的 示 意 图
【 在正常材料 中： 【 在左手材料 中 ａ 】 ｈ）
２ 左 手 材 料 的 特性
２１ 左手介质的 电磁 学性质 ． 从理 沦上说 ，Ｍａ ｗ ｌ ｘ ｅｌ 方程 允许 ￡和 取 负值 ，因此 左手介质并
不违背 已知 的电磁学性质 。对于平面 单色波 ，Ｍａ ｗ ｌ ｘ ｅ 方程 可以化成 ｌ 如下简单 形式
界而处满足Ｍａ ｗ ｌ ｘ ｅｌ 的边 界条件 ： 方程
Ｅ １ ， ｌ ＝ Ｈ ， ｌ ：Ｅ Ｈ ｌ
￡ ¨ ￡ ．ｌ ：ａＨ ｌ Ｉ ＾ １ＨＩ ｌ， Ｅ ａ ｒ ． ｌ Ｔ代表平行 于界 而的分 量 ．ｎ 表垂直 于界面 的分 量 当Ｉ 两 代 ．２ 种介质都是正常 材料时 ．折射就按Ｓ ｅ 定律 发生 ，折射 角 ， 入射 ｎｌ ｌ 和 角 满足下面关 系
维普资讯
１５ 南 ｜ ２ 工种 封 ０ ８ 第４ ２ ０年
技 术 创 新
左 手 材 料 的 特 性 研 究
王 周 琴
（洛 阳 师 范学 院 ） 摘 要 左手 材料 是指一种介 电常数 ￡和磁导率 同时为负值 的材料 ：本文介绍 了这 种材料 的电磁学性质和最新研 究进展 ，着重
一
。
数 、负磁导率的物质 ，证明了左手材料的存在
１ 左 手 材料 与右 手 材 料 的 区别
，
，
・
ｃｔ，
对于右手材 料 ，一束平 而 电磁波 的波矢 Ｋ 、电场强度 Ｅ 和磁 场强 度Ｈ 构成的矢量组遵守右手定则 ，该材料称为 右手介 质。前苏联物理 学家Ｖ ｓｌ ｏ 在 Ｉ ￣ ｅｅ ｇ Ｇ ｃ ８ ａ Ｖ Ｘ 年最 早假想了一种介 电常数 ￡ 和磁导 率 同 时为 负值 的介质 ，当平而 电磁波在 其 中传播 的时候 ，只将Ｅ 这两 和Ｈ 个矢量中的任何—个 的方 向转 ，使得Ｋ、Ｅ Ｈ 三者构成的矢量组遵守 左 手定则 ，而 电磁波能 量沿与Ｋ 相反的方向传播 ．这 种介质称为 “ 左 手材料”。
左手材料的研究概述
左手材料的研究概述【摘要】随着研究的深入，左手材料的相关理论不断得到完善，应用逐渐深入，左手材料的物理特性也得到了优化。
本文对左手材料的发展历史，基本原理，区别于传统材料的特性和最近的结构设计进展作了简要的介绍。
【关键词】左手材料；负折射；负磁导率1.引言左手材料（Left handed material），作为一种自然界至今并未发现，人工合成的周期结构复合材料（A composite or structured material that exhibits properties not found in naturally occurring materials or compounds）。
是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的。
而Veselago于1968年在文章中[1]，根据Maxwell方程组，分析了电磁波在其中传播时，与常规介质不同，、和之间满足左手螺旋关系而不是右手螺旋关系。
但是在接下来的30多年里，并没有在实验中观察到理论所预言到的现象，所以左手材料并没有得到深入地研究。
直到1996年英国的皇家科学院院士J.B.Pendry把金属丝（Rods）均匀排列，电磁波射入金属丝阵列得到负的介电常数。
三年之后，他又利用开口的金属谐振环（SRR，Split ring resonator），在特定入射波的条件下又获得了负的磁导率。
2000年，美国的科学家D.R.Smith研究小组在Pendry等人研究的基础上，将SRR和Rods合理地组合起来，首次得到了同时具有负的介电常数和磁导率的物质，从此以后，越来越多的人投身到左手材料的研究热潮中，左手材料被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一。
尤其是在最近几年来，左手材料的研究在理论和应用上都取得了显著的成绩。
并且逐渐改变着我们的生活。
2.左手材料的基本原理3.左手材料的结构设计因为至今在自然界并没有发现左手介质，目前人们在实验或者工程中用到的左手介质样品都是人为设计的，是一种复合材料。
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Z 1 eff LR 2 i CL Y 1 eff 2 CR i L L
(1-32)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
• 当角频率0时，eff=-1/(2CL)，eff=-1/(2LL)，趋同于
i i s( )
s( ) 2 2 2 2 2 L k i ( )( ) L se sh R R
2 2
(1-31)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
( / se ) 2 1 Z Z0 ZL Y ( / sh ) 2 1
其中
(1-29)
L L ZL CL
L R ZR CR
(1-30)
sh
1 L LC R
se
1 L RC L
传输线的传播常数为
其中
R
1 L RC R
L
1 L LC L
k L LC R LR C L
1 min( se , sh ) s( ) 1 min( se , sh )
讨论
(1-32)
• 当 s()=-1时相位因子为负值，相速与群速平行反向，表现为 左手材料的传播特征
2 π r 1 2 iπr 0 ( H 0 2 j j ) ( 2πr )j 2 a iπr C
(1-18)
C
0
d
1 d 0 c
2
(1-19)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 周期排列的开口环的等效磁导率
eff
πr 2 a 2 1 3dc 2 2 1 2 2 3 i π r r 0
2 2
1
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
比较式1-12、式1-16
eff
Bave πr 1 2 0 H ave a
2
2 1 i r 0
1
(1-17)
无限长周期排列金属棒可以降低磁导率 对无限长开口环谐振器，感应电流与外加磁场的关系可表为
2
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
meff
0e 2 r 2 n a
2 ln r
(1-9)
将式1-4、式1-9代入式1-2
p
2
neff e 2 2πc 2 2 0 meff a ln(a r )
(1-10)
将式1-10代入式1-3，并同时代入 因子的表达式
(6-6)
2.3 铁氧体材料的吸波原理
Z in 1 Z in 1
(dB)
(6-7)
铁氧体吸波材料的匹配条件为
2 πd tanh i 1
(6-8)
3 实验样品设计
3.1 利用开口环设计通带滤波器
设计要求 在超宽带频段内设计5.2、5.8 或 8 GHz的单一陷波特性滤波器 设计方法 • 引入折叠开口环结构 • 引入开口环缺陷地结构
A( R )
0 r 2 nve
2
ln(a R )
电子在电场中所受冲量为eA，单位长度细金属棒动量改变量
0e 2 r 2 n a 2 Pe eπr nA( r ) ln πr nv meff πr 2 nv r 2 (1-8) 其中，电子有效质量meff为
人工电磁材料在微波器件中的应用
杨宏春
2012年05月
讲授内容
1 实验目的
2 实验原理
3 实验样品设计 4 实验设计作业 5 实验测试 6 实验报告(设计报告)
实验目的与实验原理 1 实验目的 (1) 了解人工电磁材料的基本工作原理及其应用现状 (2) 利用人工电磁材料设计微波器件(时域、频域)
(3) 掌握微波器件主要参数的实验测试方法
eff
2 p 1 2 0 a 2 p i πr 2
(1-11)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
当< p时，eff 实部为负，即为ENG材料
(2) 周期排列SRR形成MNG材料的基本原理 对周期无限长导电圆柱，等效磁导率可以定义为
右手传输线的电压电流方程可以表示为
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
U z ZI I YU z
(1-23)
由麦克斯韦方程组可得均匀物质中时谐电磁波的解为
E x z iH y H y iE x z
对比式1-23与式1-24
•左手材料 (Double Negative Material，DNG)
Rod周期结构的ENG材料
SRR周期结构的MNG材料
Rod、SRR结构DNG材料
2.1 人工电磁超材料概述 (4) 人工电磁材料的主要应用 (a) 应用领域 传输线、微波器件、电磁储能、天线、光学、微波电路与系统 (b) 实现功能 • 微波器件小型化、定向天线 • 微波吸收
(1-24)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
Z iL R L 0 eff R i i Y i C R eff 0 CR i i
B 左手传输线的电磁参数
(1-25)
对左手传输线，其等效介电常数和等效磁导率表达式为
metal
2 p 1 2
(1-1)
其中，等离子体频率p为
ne 2 0 me
2 p
(1-2)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 考虑金属中的电子散射衰减，介电常数可被表示为
normal
2 p 1 ( i )
(1-3)
其中， 表示电子与中性粒子的散射频率 视周期性排列金属杆为电子气等离子体，其有效电子密度为
光子晶体模型的典型结构
2.1 人工电磁超材料概述 (b) EBG带隙材料 (Electromagnetic Band Gap，EBG)
基底周期空洞
高阻抗表面结构
UC-EBG结构
(c) 吸波材料或特殊r 、 材料
RH2100铁氧体
2.1 人工电磁超材料概述 (d) ENG、MNG、DNG 材料 • 负r 、正材料(Epsilon Negative Material，ENG) • 正r 、负磁导率(Magnetic Negative Media，MNG)
理想左手材料的结构参数 • 而当时，eff=LR，eff= CR，趋同于普通右手材料的 结构参数 2.3 铁氧体材料的吸波原理 电偶极子和磁偶极子吸波可用复介电常数和磁导率描述
i
i
(6-1)
′和′ 分别表征极化和磁化吸收的变量； ″、 ″分别表征
Bave 0 eff H 0
H0为外加平行于导体的磁场
(1-12)
设柱体内感应电流为 j，则柱体内磁场强度为
πr 2 H in H 0 j 2 j a
(1-13)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料
环绕金属柱体的总电动势为
2 π r B I R iπr 2 0 [ H 0 j 2 j ] 2πrj t a
折叠开口环
缺陷地结构
滤波器模型
3 实验样品设计 优化计算
0
0 -10
-5
S Parameter (dB)
-20
S21 (dB)
-10
-30
-40
-15
-20 0 2 4 6 8 Frequency (GHz) 10
(1-14)
当电动势平衡时，感应电流j可以表示为
j [1
πr 2 r ] i a2 r 2 0
2
H0
(1-15)
导体外平均磁场强度为
H ave
πr 2 πr 2 H0 2 j H0 1 i 1 2 i (1-16) a r a r 0 0
E Z H
(6-4)
2.3 铁氧体材料的吸波原理
电磁波从自由空间垂直入射铁氧体时，入射阻抗为
2 πd Z in tanh i
(6-5)
λ为自由空间中电磁波波长；d 为吸波体的厚度 传输系数Tr 为
Tr exp id
铁氧体的反射损耗为
πr 2 neff n 2 a I πr 2 nve H ( R) 2πR 2πR
(1-4)
金属杆电流在空间R处产生的磁场强度为 (1-5)
2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料 其中，v为电子的平均速度 用矢量位 A 表示磁场强度，则
H ( R) 01 A
其中
(1-6) (1-7)
• 电磁(光)隔离DNG人工电磁材料 2.2 ENG、MNG、DNG人工电磁材料的基本工作原理 (1) 周期排列金属杆形成ENG材料的基本原理 存在沿导线方向电场时，金属杆中自由电子气产生等离子 体谐振，理想情况下周期性金属棒的介电常数可被表为
i Z Y
CRLH传输线的Z、Y分别为
(1-27)
1 Z ( ) i(L ) Z R R ZL C L 1 Y ( ) i(C R YL ) YR L L
传输线的特性阻抗为
(1-28)
外加电磁场下材料电偶矩、磁偶矩引起的电磁损耗
2.3 铁氧体材料的吸波原理
损耗因子tan 可表示为
tan tan E tan M
电磁波垂直入射时，反射可由反射系数表示
(6-2)