【文献综述】电磁波在左手材料中的传输特性

文献综述

应用物理

电磁波在左手材料中的传输特性

过去二十年，一种被称为“左手材料”的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐，对其的研究正呈现迅速发展之势，而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。

LHM概念的提出

1964年前苏联科学家V.G.Veslago教授从Maxwell方程出发，分析了电磁波在拥有负磁导率和负电介常数的材料中传播的情况，对其进行了阐述，如负的切连科夫效应、反斯涅耳定律、反多普勒效应等等。电磁波在传播时相速和群速方向相反，E、H、K三矢量之间呈现左手法则，与电磁波在传统材料（E、H、K三矢量之间呈现右手法则）中传播情况恰好相反，他定义该种材料为LHM材料。由于当时在自然界和实验室中未能找到这种材料，因此负折射率的问题并未引起大家的关注。在Veslago之后的几十年内，很少有关于负折射率问题的进一步报道。【1】

电磁波在左手材料传播特性

理论上麦克斯韦方程允许介电常数和磁导率都取负值，因此，麦克斯韦方程对于左手材料仍适用。对于单色平面波，麦克斯韦方程组可以写成如下：

对于右手材料，由前两式可知，电场E，磁场H，波矢k三者之间构成右手关系，而在左手介质中，波矢k三者之间构成左手关系。波矢k代表了相位传播方向，而能流传播方向S=E×H，代表了群速度。易判断波矢方向和能流方向相反。即相速度和群速度方向相反。

逆Doppler频移

声波在介质中传播时，波源和观察者如果发生相对运动，会出现Doppler效应。但是，在左手材料中，相速度和群速方向恰好相反，当波源和观察者相向而行时，观察者接收到的频率会降低，反之，则会提高。从而出现逆Doppler频移。

反常Cerenkov辐射【2】

反常Cerenkov辐射电动力学告诉我们，在真空中，匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波，而

当带电粒子在介质中做匀速运动时，会在其周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波。当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁波，这被称之为Cerenkov辐射。在右手材料中，干涉后形成的波前，即等相位面是一个锥面，电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，形成一个向后的锥角，如图l—5—3(a)所示。

国内外研究现状【3,4】

在1998~1999年，英国科学家Pendry等人在1998~1999年提出了一种巧妙的设计结构

可以实现负的介电系数与负的磁导率。

2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，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，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。

2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料，这将可能对电子通讯业产生重大影响，相关研究成果也发表在当月的美国《应用物理快报》上。

2003年是左手材料研究获得多项突破的一年。美国西雅图Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 与加拿大University of Toronto电机系的G. Eleftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果；美国麻省理工学院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》【6】杂志发表文章，描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。基于科学家们的多项发现，左手材料的研制赫然进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。

2004年，国际学术界开始出现上海科学家的身影。“973”光子晶体项目首席科学家、复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与巧妙设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验【7，10】，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，即刻

引起学术界的高度关注，被推荐作为《自然》杂志焦点新闻之一。同济大学波耳固体物理研究所以陈鸿教授为首的研究小组从2001年开始对左手材料展开研究，经过两年的研究，在基础理论和材料的制备与表征方面取得了重大进展，成果在国际物理学著名刊物上发表。2004年在国际微波与毫米波技术大会上作大会报告，并将在2005年日本召开的国际微波与光学技术研讨会上作邀请报告【8,9】。

2009年初，美国杜克大学和中国东南大学合作，最近成功研制出微波段新型“隐形衣”，这一研究成果发表在年初出版的《科学》杂志上。作为东南大学毫米波国家重点实验室副主任，崔铁军教授在计算电磁学和新型人工电磁材料等领域做出了很多原创性的研究成果【13,14】。崔铁军教授课题组和杜克大学史密斯教授课题组于2006年开始合作，在新型人工电磁材料的理论分析、设计、实验和应用上取得了一系列成果，为新型“隐形衣”的研制打下了坚实基础【15】。

2009年11月，东南大学毫米波国家重点实验室以崔铁军和程强为首的研究团队成功地制作出人造电磁学收集器，在微波环境中，它能够像宇宙中的“黑洞”一样去吸收环境中的微波【10】。该成果引起了世界科技界的高度关注，10月15日，《自然》网站也以“科学家研制出可携带黑洞”为题介绍了这项研究成果。

应用前景【15-19】

左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。Pendry在2000年就曾建议制作“超级透镜”（也称“理想棱镜”）以实现左手材料的应用，这一建议在2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制造出平板微波透镜。2004年２月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片，但是他们的技术要求被观察的物体几乎接触到镜片，这一前提使其在实际应用中难以操作。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。

目录

【1】张世鸿，陈良，徐彬彬，邓龙江，电子技术大学，微电子与固体电子学院，四川，成都。中图分类号：TM27 文献标识码：A 文章编号：1001-9731

（2006）01-0001

【2】郭光灿，夏云杰，气体Cerenkov辐射的量子理论，物理学报，文献标识码: CNKI:SUN:WLXB.0.1988-08-013

【3】左手材料，百度百科

【4】Pendry J B,Holedn A J,Stewart W J,et al.[J].Pyhs Rev Lett,1996,76 (25):4773.