超材料(metamaterials) 超越材料性能的自然极限

收稿日期:2005209215

2z j @文章编号:049026756(2005)0z220015202

“超材料(metamaterials )”:超越材料

性能的自然极限

周　济

(清华大学材料科学与工程系新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京100084)

“Metamaterial ”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇.拉丁语“meta 2”,可以表达“超出...,亚...,另类”等含义.对于metamat erial 一词,目前尚未有一个严格的、权威的定义,但一般文献中给出的定义是“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”.目前人们已经发展出的这类“超材料”包括光子晶体、左手材料以及超磁性材料等等.

“超材料”的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础.例如,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理尺度有关,一个最直观的例子是晶体.晶体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,正是由于在这个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,在其它层次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.因此,人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制,从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质.

迄今人们所使用的各类功能材料都是建立在天然材料所具有的性质的改进和提高上.随着材料设计和制备技术水平的不断改进与提高,对天然材料各种性质和功能的进一步发掘与利用的潜力空间逐渐缩小并趋于极限,因此,“超材料”思想的提出无疑会对新材料的设计与开发带来新的机会.

“超材料”这一名词的出现与一类被称为“左手材料”或“左手物质”的材料系统息息相关,狭义的“metamaterial ”往往指的就是这类材料.该材料近一两年来引起了学术界的广泛关注,被“Science ”杂志评为2003年的“年度十大科学突破”之一.“左手”材料是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率).

光子晶体是一类可能在未来信息技术中发挥重要作用的“超材料”系统.这类材料的基本特征是通过和电磁波波长相当的尺度上的人工周期性结构对一定频段的电磁波形成“带隙”,类似与半导体的晶体结构对电子物质波的调制而形成电子能带带隙一样.这类材料已在一些信息器件中获得了应用.

近年来还出现了一系列磁性“超材料”,如:通过将软磁铁氧体和硬磁铁氧体的有序复合,利用软磁铁氧体的高磁化强度和硬磁铁氧体的高矫顽场特性的相互作用和耦合,进而获得具有高磁能积的磁性材料;通过对具有高磁导率金属磁性材料在纳米尺度的有序化设计,获得既具有高磁导率、又具有高截止频率的新型软磁材料系统,其起始磁导率和频率之积远高于软磁铁氧体材料.

此外,利用磁性材料和介质材料的有序设计,也可获得既具有高的介电常数,同时也具有高磁导率的“超电磁介质”材料.

从作者个人的观点看,广义地讲,多层陶瓷电容器、半导体超晶格材料也属于一种超材料.左手材料2L HM (left 2hand material s)也被称为double negative metamaterial s (DNM),negative refraction index mat erial

2005年10月

第42卷增刊2四川大学学报(自然科学版)Journal of S ichuan U niversit y (Nat ural Science Edition)Oct.2005Vol.42　Issue 2E mail :ho u i mail.tsing .c n

61四川大学学报(自然科学版)第42卷

(N RI).左手材料的思想是前苏联人Veselago首先提出的,最近获得广泛的关注.在一篇1968年的文献中,Veselago预测了在同时具有负的介电场数和负的磁导率的材料中传播的电磁波的传播方向与能量的传播方向相反.这一结果源于Maxswell方程的卷积形式.这一方程确定了一个关于电场强度E磁场强度H和波矢量k之间的右手规则.同时能量的传播方向被定义为E×H,也同时形成了一个右手的系统.当折射率为负的时候,波矢量方向与能量方向相反.E,H,k形成左手规则,这也就是Veselago预测的左手材料.在最近的几年里左手材料在理论和试验上都获得了突破.左手材料具有许多独特的性质.包括:电磁波在左手材料中传播时,能量的传输方向与相位的传输方向相反、反常的多普勒效应、折射时入射光线与折射光线处在平面法线的同侧、以及由此导致的“完美透镜”功能等及左手材料可提供具有超常电磁性质的新型物理系统.可以预期,这类材料率先获得应用的领域将是信息技术领域.目前已提出的相关元件微波天线、透镜等.

另一类新型“超材料”是光子晶体,其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,且由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.通过设计光子带隙结构,人们可以获得天然材料所不具有的光功能.目前建立了很多光子晶体的有源和无源光学器件模型,并且已经有部分光子晶体产品,如光子晶体光纤、低阈值激光振荡器、高效率发光二极管、微波天线等.

“超材料”这一新的观念尚未被学术界(特别是材料学界)完全接受,但作为一种材料设计理念,已开始为越来越多的学者所关注.更为重要的是它的出现会给人们在世界观层面上带来的冲击,昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下,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”.迄今发展出的“超材料”系统多与电、磁、光性质相关联,为信息元件的新突破提供了一个新契机,因此值得我们关注.