左手材料的研究进展及应用
左手材料的研究进展及应用
左手材料的研究进展及应用左手材料研究进展及应用左手材料,指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质).在自然界中,所有物质的介电常数(ε)和磁导率(μ)都是正数.左手材料这种新型材料的非常之处,在于其负的介电常数和磁导率使得主导普通材料行为的许多物理特性产生逆变. 左手材料有时也被称作”异向介质”,”负折射系数材料”. 迄今为止,我们在自然界中见到的都是右手材料,右手规则一直被认为是物质世界的常规.但是,在左手材料中,电磁波的电场,磁场和波矢却构成左手关系.这也是这种材料被称为"左手材料"的原因.由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数,折射率也是负的,根据电磁学理论,可以推断出它有很多奇异的物理特性.由于这个学期正在学习电磁场,电磁场的数学基础和这种反常自然界物质的神奇特性让我非常感兴趣.虽然阅读了较多的文献,不过很多理论还是不能理解.不过,我理解的那一部分已经受益匪浅了.比如,人的大脑要有创新精神,敢于突破常规,虽然右手规则是统治自然界物质的普遍规律,在我们的脑海中,也根深蒂固的有ε和μ同时>0的概念,不过,只要敢于想,敢于创造,这种突破自然界常规的物质LHM(left hand material)就可以发挥出它巨大的功能.一.左手理论的起源和发展1967年，前苏联物理学家Veselag。
在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即: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材料，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。
这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。
但几乎无人意识到，材料世界从此翻开新的一页。
左手材料的研究发展并不是一帆风顺。
在这一具有颠覆性的概念被提出后的30年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中尚未发现实际的左手材料，所以，这一学术假设并没有立刻被人接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到将近本世纪时才开始出现转机。
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。
.
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。
.
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。
左手材料天线
左手材料天线左手材料天线是一种新型的天线结构，它利用左手材料的特殊性质来实现对电磁波的辐射和接收。
左手材料是一种具有负折射率的材料，它具有一些非常奇特的电磁性质，例如负折射率、负抗性、负色散等。
利用这些特性，左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
因此，左手材料天线在通信、雷达、无线电等领域具有广阔的应用前景。
左手材料天线的工作原理是基于左手材料的负折射率特性。
在传统的天线设计中，通常使用正折射率的材料来实现对电磁波的辐射和接收。
而左手材料天线则采用具有负折射率的左手材料来实现对电磁波的控制。
当电磁波穿过左手材料时，由于其负折射率特性，电磁波的传播方向会发生反转，从而实现对电磁波的控制。
这种特性使得左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
左手材料天线具有许多优点。
首先，由于左手材料具有负折射率特性，可以实现对电磁波的精确控制，从而实现更高效的辐射和接收。
其次，左手材料天线可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更广泛的应用范围。
此外，左手材料天线的制作工艺相对简单，成本较低，适合大规模生产和应用。
在实际应用中，左手材料天线已经得到了广泛的研究和应用。
在通信领域，左手材料天线可以实现更高效的信号辐射和接收，提高通信质量和覆盖范围。
在雷达领域，左手材料天线可以实现更宽波束宽度和更高分辨率，提高雷达探测和跟踪性能。
在无线电领域，左手材料天线可以实现多频段工作，适应不同频率的信号传输和接收。
总之，左手材料天线是一种具有广阔应用前景的新型天线结构。
它利用左手材料的特殊性质，实现了对电磁波的精确控制，可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更高效的辐射和接收特性。
在通信、雷达、无线电等领域具有重要的应用价值，将为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
随着左手材料天线技术的不断进步和完善，相信它将在未来发挥越来越重要的作用。
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
红外波段左手材料研制获新进展
2 0 0 9 国际城市遥感大会将于 明年 5 月在上 海召开
“ 2 0 0 9 国际 城市遥 感大会 ” 将于 2 0 0 9 年 5 月 2 0 日 一 2 2 日在上 海市科技会 堂 召开 。 国际城市遥 感大会 是城市 遥 感领域 的高端 国际性 学术研 讨会 ， 由城市地 区遥 感 与数据 融合 国际研 讨会 (U R B A N ) 与国 际 城 市遥 感 会 议 (U R S ) 合并 而 成 的， 会 议 所接收 的论 文 (全 文 ) 将被 E n g i n e e r i n g ( I n d e x E I ) 和 I n d e x t o S c i e n t i fi c ＆ T e c h n i c a l P r o c e e d —
期性 结构 材料 ， 由于 在其 中传播 的 电磁 波 的相速 度和 群速
度 方 向相 反 ， 因 而 表 现 出一 系 列 反 常 的 电磁 特性 ， 如 反 常
D o p p l e r 效应 、 负折射效应 和 完美透 镜效应 等 。 左 手材料
的发现 以及 基 于左 手材料理 论制备 的 “ 隐身斗篷 ” ， 分别在
目前 ， 2 0 0 9 年 的 报 刊 征 订 工 作 已 经 开 始 ， 请 需 要 订 阅本 刊 的 读 者 和 单位 尽 快 到 当 地
邮局 订 阅，
本 - T4 2 0 0 9 年 的 定 价 不 变 ，
依然为 8
元 。
定 价 ： 8 0． 0 元 邮 发 代 号 ： 4 - 2 9 0 国 际 标 准 刊 号 ： I S S N 1 6 7 2 - 8 7 8 5 国 内统 - t ：U号 ： C N 3 1 - 1 3 0 4 ／T N
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
左手材料在天线中的运用
左手材料在无线通信领域的应用前景
总结词
详细描述
左手材料在无线通信领域具有广泛的应用前 景，将为无线通信技术的发展带来革命性的 变革。
左手材料的特殊电磁特性使其在无线通信领 域具有广泛的应用价值，例如在提高无线通 信设备的灵敏度、信号传输速度和抗干扰能
力等方面，都将发挥重要作用。
左手材料在雷达系统中的应用前景
左手材料的特性
这种材料具有负的折射率，对电磁波的传播方向与电场和磁场的 方向都与常规右手材料相反。
左手材料的分类
根据左手材料的特性，可以将其分为活性左手材料和被动左手材料。
02
左手材料在天线设计中的优势
提高天线效率
左手材料的高电导率和磁导率可以减少电磁波在传播过程中的能量损失，提高电 磁波的传输效率，从而提高天线的效率。
• 制造方法：目前常用的制造方法包括真空蒸发沉积、纳米压印、化学气 相沉积等，但这些方法普遍存在效率低、成本高的问题。
• 尺寸控制：制造过程中对左手材料尺寸的控制也是一大挑战，尤其是对 于纳米级别的材料。
• 解决策略：研究者们正在开发新的制造工艺，以提高加工效率并降低成 本。例如，利用先进的纳米压印和化学气相沉积技术，可以更精确地控 制材料的尺寸和形状。此外，通过引入新型设备，也能提高生产效率。
通过利用左手材料的特殊性质，可以将电磁波聚集在特定 的方向上，提高天线的发射效率和接收灵敏度。
降低天线的雷达散射截面
左手材料可以改变电磁波的传播方向 ，使电磁波散射到各个方向，从而降 低天线的雷达散射截面。
VS
降低天线的雷达散射截面可以减少被 敌方雷达发现的可能性，提高天线的 隐蔽性和生存能力。
03
THANK S感谢观看
左手材料的特殊性质可以改变电磁波的相位和振幅，使天线更加高效地发射和接 收电磁波。
左手材料研究进展及应用前景
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张世鸿 等 :左手材料研究进展及应用前景
左手特性才会出现 。目前研究的左手材料是由开环谐 振器和金属细线两种结构周期排列组成 ,在制作和使 用上都有一定的难度 ,且呈现左手材料性质的频段较 窄 ,应用受到限制 。科学家们对呈现出左手特性的其 它结构也进行了研究 ,比如美国特拉华大学的 S. T. Chui 等人[9] 提出使用金属磁性纳米颗粒复合材料制 备左手材料 ,把金属磁性纳米颗粒嵌入到绝缘基体中 , 同时控制颗粒的磁化方向以及颗粒所占的体积比 。由 于在等离子频率下金属可以呈现出负的介电常数 ,而 磁性颗粒的共振又可以使磁导率为负值 ,这就使该材 料在某些频率下呈现出介电常数和磁导率皆为负值的 左手性质 。这种材料结构均一 ,没有复杂的微结构 ,因 而使材料容易制备和使用 ,而且它呈现左手性质的频 率范围可能较大 ,可以通过调节纳米颗粒的尺寸和体 积比来调节它的应用频段 。
其中等离子体频率ωp =
N q2
mε0
≈ 56.
4
N ,m 为
总动量值 , N 为平均电荷密度 。其介电常数随频率变
化而变化 ,当工作频率低于 ωp 时 , 将εp (ω) < 0 ,此时 波矢为虚数 ,电磁波不能在等离子体内传播 。J . Pen2
dry 为左手材料的实现奠定了理论基础 ,1996 年发表
出相反性质 。
2. 3. 1 负介电常数的实现
等离子体的介电常数表示为 Drude 模型 :
εp (ω)
= ε0
1
-
ωp2 ω2
左手材料
左手材料的性质及应用在自然界中，介质的介电常数ε和磁导率μ是描述物质基本电磁性质的两个重要参数，这两个参数决定着电磁波的传播特性。
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。
一、左手材料的发展历史1968年，前苏联科学家Veselago VG发现介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射现象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理论上。
1996年Pendry提出了金属线周期结构，这种结构可使介质的介电常数为负。
1999年，Pendry等人又用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率材料存在的可能性，人们对这种材料也投入了更多的兴趣。
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，证明了负折射材料的存在。
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。
目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。
研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。
在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。
负折射率材料
负折射率材料一、负折射率材料历史及研究现状负折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一种介电常数e 和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。
这种被称为负折射率材料(“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。
负折射率材料的这些异常特性，使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐，世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。
到目前为止，负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实，并已经开始进行应用领域的研究与探索。
这种负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛关注。
早在1967年Veselago首先研究了这种负折射率系数材料(1eft—handed media)，他用方程证明这种材料具有负的光学折射率。
由于传统材料的折射率为正数，我们通常称这种材料为正折射率材料。
负折射率材料具有一些奇特的光学与电磁学性质，比如Doppler效应与Cherenkov辐射的逆转、交界面上的反常折射、原子自发辐射率的特殊改变等现象在负折射率材料中都会出现。
电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同。
负折射率材料的出现，颠覆了～般材料中所普遍遵循的“右手规律”。
而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。
物理学中，介电常数e和磁导率p是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。
在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数e和磁导率u都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料(right-handexlmalefials，RHM)。
这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。
1968年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当e和肛都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。
左手材料应用于通信系统的研究与分析
波特 性 ，贴片两 端辐射 的 电场 几乎 同相位 ，根据 边
缘 场 的叠加 性 原理 ，这等 效 于一个垂直放 置的单极 子，远场 的主瓣沿两侧 向外辐射 。传统的天线主要是
在牺牲天线效率、带宽和增益的前提下，利用集总参
数元件 或较大 的介 电常数来 实现天 线 的小型化 。但
２ ０ １ ３年 第 ６期 （ 总第 ２ ４ ９期 ）
中阌 高新技 ： ｌ 己 ／ 止 ＼ 业
ｌ ｃｔ ＇ ｌ Ｉ ＊＾ Ｈ● ６ Ｈ・ ｔｌ ｃ． Ｉ １ ＨｔＩ Ｉ ｔ ’ＲＩ ５￡；
ＮＯ． ６ ． ２ ０１ ３
（ Ｃ ｕ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｙ Ｎ Ｏ． ２ ４ ９）
１ 概述
在 通 信 领 域 ，传 统 天 线 的尺 寸 受 制 于 谐 振 频 率 ，并 且效 率和信 噪 比较 低 ，将左 手材料 和右手 材 料按 一定 的 比例 和结构 分布 在传输 线 中，可 以得到 具有超 强 电磁波 聚焦特 性 的左 右手 复合材 料 ，通 过 改变其 本构 关系 参数 ，可 以实现天 线 的小型化 ，减 小 插 入损 耗 ，增 强天 线 增 益 和 实 现 更 宽 的工 作 带 宽，具有 较好 的通 带特 性 。本文 通过 分析左 手材料 对通 信系 统各个 器件 性能 的改善 ，论述 了左手 材料
等通信领域有着非常广泛的应用前景。随着左手材料的发展 ，单一的左手材料 已经不能满足人们的需求，左 手 材料正从 最早 的印刷 电路 结构 向夹杂着颗粒 的左右手 复合 材料方 向发展 。 ．
关键 词 ： 左手材料 ； 天线 ； 滤波 器 ； 通信 系统 ； 左右手 复合材料 中图分 类号 ： Ｔ Ｎ９ ２ 文献 标识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ９ － ２ ３ ７ ４（ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ ０ １ ４ － ０ ２
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。
左手材料的应用
3负折射材料的应用3. 1倏逝波的放大Pendry[ 14 ]指出:在正折射率介质中指数衰减的倏逝波进入负折射率介质后随即增长. Zhang等[ 15 ]人的研究也发现负折射率材料能极大地增强光子隧道效应. 这些理论研究都是在负折射率介质没有任何损耗的情况下提出来的. 众所周知,任何介质都不可避免地带有损耗和色散等性质, 因此,对于倏逝波在负折射率介质中的传播不能用简单的方法来研究.图4为多层平板结构示意图,该结构是一种物理模型,主要用来研究负折射率介质中,倏逝波的传播情况[ 16 ]. 其中n l , u l ( l = 1, 2, 3 , 4)表示第l层介质参数; d2 , d3 为中间两层介质的厚度;第3层为负折射率介质,即n3 < 0,μ 3 < 0;在z < 0和z > d2 + d3 的区域,材料均匀无限延伸. 然后根据麦克斯韦方程的对称性,来计算电场的传播模式:E l ( x, z) = [A l exp ( ik lz ( z - z l- 1 ) ) + B l exp ( - ik lz ( z -z l- 1 ) ) exp ( ik x x) (6)其中z0 = z1 = 0, z l = z l - 1 + d1 ( l = 2, 3) , k x 为平面波波矢在x轴方向的分量; k lz表示介质l中平面波波矢在z方向的分量. 当波为行波时, k lz = k20 n2l - k2x ;当波为倏逝波时, k lz =i k2x - k20 n2l .图4四层介质组成的传输阵列,其中第三层为负折射介质其次是放大过程分析[ 16 ] : 先考虑中间两层分别为理想的正折射率介质和负折射率介质时,倏逝波的变化规律,当n l , u l 取特定数值代入上式时,发现电场为指数衰减和指数增长的两个部分的叠加, 其变化规律由两个部分的相对强度决定. 陈龙等经过计算得出:在介质2中任何一点z的放大(即d| E2 | 2d z> 0) 或者衰减(即d| E2 | 2d z< 0) 的变化趋势由exp ( - 2β·z) 的相对大小决定;在介质3中,由exp ( -2βd3 ) 和exp ( - 2β·( z - d2 ) ) 确定. 当介质4和3阻抗匹配, 则只有单个方向的倏逝波存在,电场在正、负折射率介质层中分别以指数衰减和指数增长, 倏逝波在负折射率介质中是一个完全放大的过程. 倏逝波在负折射率介质中的放大效应, 使负折射率介质有可能应用在光子隧道效应(光耦合) 和完善透镜等方面.3. 2光子隧道效应[15, 17 ]倏逝波进入负折射介质后被放大的过程, 其实也是光子隧道效应的结果,这主要是因为在该介质中,能量的转移主要依赖于光子隧道效应. 其原理是:在两种正折射介质中增加负折射率介质,当前面两种介质之间的势能不是足够低,也就是说当势阱宽度不小于波长λ时,光束穿过前两种介质进入后一种介质时,就会发生隧道效应. 具体图示如图4,该图为四层介质组成的传输阵列, 第一层和第四层是由两种半绝缘介质组成,且两者折射率相等, 第二层是真空,第三层是由负折射介质组成, 该阵列非常成功地达到了辐射能量传输的增加. 通过采用传输矩阵方程可以很好的计算出LHM的折射率和厚度在直线和半球形传输方向上对辐射传输能量的影响量级. 图5是直线传输能量跟d3 / d2 的关系图( d3 是LHM的厚度, d2 是真空层的厚度) ,入射光(λ= d2 ) 以45°角射入. 该图主要体现了LHM的负折射率和厚度在光子隧道效应中对能量传输的影响. 图6主要研究的是四层结构的半球形传输模式跟d3 /λ的关系图, 其中T p rop , T evan 和T com 分别表示传输波、衰减波的传播以及这两种波的结合传播等. 当d3 =λ( = d2 ) ,并且n3 = - n2时,传播达成一致. 从该图可知:光子隧道效应的分布对于厚度和折射率的失谐非常敏感. 从Zhang等的系统分析中可以看出,负折射率材料可以用来制造高功效的微观能量转化装置.3. 3超透镜聚焦成像传统光学透镜已经有很久的历史,其局限性是没有哪50 咸宁学院学报第26卷© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 个透镜能够将光聚焦到一个比λ 2 还要小的范围内,所以,传统的光学透镜要受到光波长的限制. 自从负折射率材料出现以后,一些关于负折射率材料方面的应用也有所突破.如果利用该材料制作透镜,可以聚焦2D成像中的所有傅立叶成分以及那些不能在辐射方式中存在的传播,这样的透镜可以作为微波光束检测的常规技术. Pendry[ 14 ]从传统光学透镜的理论推导着手,模拟了负折射光学透镜的可能性原理. 他认为传统的光学透镜只适应于纵向波矢,而无法对横向波矢进行研究,因为,横向波矢的衰减太严重,而体现物质光学传输特性的传输波几乎都在横向波矢(衰减波)里面,要对这些传输波进行研究,就得找新型材料,负折射材料自然而然成为了大家关注的对象. Pendry[ 14 ]对负折射材料的传播特性进行了严格的因果推算,得到:负折射材料确实可以增强衰减波的振幅,修复衰减波的相位,因此这种具有传播和增强衰减波性能的材料可以提高成像分辨率. 如果用负折射材料制成超透镜,那么这样的透镜就有几个重要的优点: (1)由于没有光学轴,因此不需要精确的队列. (2)平行厚板代替曲线形状,其结构更简单. (3)当给定超透镜的结构和光束的波长后,超透镜的分辨率就透镜的表面周长和光束的波长限制了, a s /λ越小,分辨率越高.光子晶体具有负折射行为,也可以用来制作超透镜. 为了模拟出这样的超透镜, Guven等采用了有限差异时间领域的模拟技术( finie2difference time2domain,简称FDTD) [ 5 ] ,该技术与平行厚板光子晶体的边界条件非常匹配. 光子晶体平行厚板的厚度跟表面周长都选择发射最小的状态. 超透镜为我们研究负折射率材料的聚焦成像提供了依据,也为今后微波透镜的发展以及克服传统透镜内在的衍射极限限制开拓了道路.4展望负折射现象向人们展示了一个新奇的光学世界,它引起了人们对负折射现象研究的热潮[ 18～20 ]以及对现有理论和现象的重新审度. 越来越多的研究表明,负折射材料具有很多潜能,譬如制造超透镜、高效微观能量转换装置以及提供高分辨的光学分辨率和高功率光耦合等. 尽管对负折射现象的理论研究已经初具规模,但是,在日常生活中负折射材料却少之又少,目前还只是停留在光子晶体以及金属合成物上,而要广泛地制作这种材料,还需要进一步的努力.__5 潜在应用从左手材料表现出的新颖电磁特性,其潜在的应用研究也逐渐提上日程。
左手材料设计的研究进展
０ 引 言
左手 材料 是指在 一定 的频段 下 ， 、 Ｈ 三 者之 间成 左手 ｋ Ｅ、
×商＝ （ ） 一
将 平面 时谐 电磁波 的波 函数
（） １
螺旋， 同时 具有 负的磁 导率 和负 的介 电常数 的 材料 。此 概念 最 初 由前 苏联 物理学 家 Ｖｅｅａ ｏ１ 出 ， 理 论 上 预言 可制 ｓｌｇ ｌ 提 从 备 出这种 材料 。由于 在 自然 界 中 尚未发 现 这 种 介 电常 数 和 磁 导率都 为 负值 的左 手 材料 ， 以在 随后 的 ３ 所 Ｏ年 里 对 左手
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（ ３）
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关 键 词
阐述 了左手材左手材料 的结构 、 介 基本 原理及特 点，
左手材料 负介 电常数 负磁导率 负折射
综 述 了左 手 材 料 近 年 来 的 研 究动 态及 发 展 前 景 ， 出左 手材 料 要 得 到 应 用 必 须 向低 损耗 和 宽 带 宽 方 向发 展 。 指 中图分类号 ： ７９ Ｔ０ ３
左手材料的性质及研究动态
第16卷 第5期长 春 大 学 学 报Vol .16 No .5 2006年10月JOURNAL OF CHANGCHUN UN I V ERSI TY Oct .2006 文章编号:1009-3907(2006)05-0031-03收稿日期:2006-06-09作者简介:刘晓旭(1982-),男,黑龙江省绥化市人,哈尔滨师范大学物理系硕士生,主要从事凝聚态物理方面的理论研究。
左手材料的性质及研究动态刘晓旭,王选章(哈尔滨师范大学物理系,黑龙江哈尔滨 150080)摘 要:左手材料(也被称为负折射率材料)最早由前苏联科学家Veselag o 在20世纪60年代从理论上提出来的,是一种具有介电常数和磁导率同时为负值的材料,它具有诸如负相位速度,负折射率,理想成像,逆Dopp ler 频移及反常的Cerenkon 辐射等多种奇异的物理现象。
本文主要论述左手材料的性质并分析左手材料全新应用前景,简要介绍左手材料近年来的研究动态及发展前景。
关键词:左手材料;负折射率;非寻常折射中图分类号:O44116 文献标识码:B0 引 言左手材料是一种新颖奇异的材料,其通常也称负折射率材料,负折射率介质是一种重要的新型人工合成材料,不同于自然界存在和已有的人工合成材料,电磁波在这种材料中传播时,其电场、磁场传播方向遵循左手法则。
图1 介电常数ε和磁导率μ构造的材料空间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。
考虑波在低损耗介质中传播,此时介电常数ε和磁导率μ可以看作实数,根据ε和μ的正负取值,材料可以分为如图1所示的4类在自然界中,大部分材料位于1象限,根据M axw ell 方程,当一束平面波在位于象限Ⅰ的各向同性材料中传播时,波矢为实数,因此波可以在这种材料中传播,波在位于第Ⅱ和Ⅳ象限的介质中传播时,波矢为虚数,这时材料的耗散非常大,一般认为电磁波在该类介质中不能传播,因为这类材料对频率具有截止功能。
浅谈“左手材料”在未来无线通信系统中的应用
证 ．人 们 对 左手 材 料 的兴 趣也 基 本 消 失 了 。
１ ９ 年 ～ １９ 年 ．英 国 的 Ｐ ｎ ｙ 人 相 继 提 出 了 ８ ９ ９ ９ ｅ ｄ 等 ｒ
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左手材料研究进展及应用左手材料,指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质).在自然界中,所有物质的介电常数(ε)和磁导率(μ)都是正数.左手材料这种新型材料的非常之处,在于其负的介电常数和磁导率使得主导普通材料行为的许多物理特性产生逆变. 左手材料有时也被称作”异向介质”,”负折射系数材料”. 迄今为止,我们在自然界中见到的都是右手材料,右手规则一直被认为是物质世界的常规.但是,在左手材料中,电磁波的电场,磁场和波矢却构成左手关系.这也是这种材料被称为"左手材料"的原因.由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数,折射率也是负的,根据电磁学理论,可以推断出它有很多奇异的物理特性.由于这个学期正在学习电磁场,电磁场的数学基础和这种反常自然界物质的神奇特性让我非常感兴趣.虽然阅读了较多的文献,不过很多理论还是不能理解.不过,我理解的那一部分已经受益匪浅了.比如,人的大脑要有创新精神,敢于突破常规,虽然右手规则是统治自然界物质的普遍规律,在我们的脑海中,也根深蒂固的有ε和μ同时>0的概念,不过,只要敢于想,敢于创造,这种突破自然界常规的物质LHM(left hand material)就可以发挥出它巨大的功能.一.左手理论的起源和发展1967年，前苏联物理学家Veselag。
在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即: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材料，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。
这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。
但几乎无人意识到，材料世界从此翻开新的一页。
左手材料的研究发展并不是一帆风顺。
在这一具有颠覆性的概念被提出后的30年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中尚未发现实际的左手材料，所以，这一学术假设并没有立刻被人接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到将近本世纪时才开始出现转机。
英国科学家Pendry 等人在1998-1999年提出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，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。
2001年的突破，为左手材料的研究形成热潮莫定了历史性基础。
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。
2002年底，麻省理工学院孔金甄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制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美选镜”、用于电磁波隐身等等。
左手材料的前景开始引起学术界、产业界尤其是军方的无限遐想。
2003年是左手材料研究获得多项突破的一年。
美国西稚图Boeing Phantom Works的C. Parazzoli与加拿大University of Toronto电机系的G.日eftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负拆射定律;IowaState 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;美国麻省理工学览的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》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。
二.LHM的理论解释(1)k,E,H的左手关系从Maxwell方程出发:对于各向同性的LHM,存在本构关系:D =εE B =μH从波动方程:得到色散关系:其中为折射率的平方。
对于折射率n,当ε和μ同时>0时,符合色散关系,波动方程有解。
若同时改变介电常数和磁导率的符号,使得ε和μ同时<0,可以看到他们的乘积数值相同,波动方程同样会有解,这并不违反Maxwell定律。
但电磁参数同时为负的解必然和通常的不同,从而得到电磁波的特性必然有很大差异。
由麦克斯韦的两个旋度方程:电磁波在无源媒质中传播时可得由可以看出, 当ε>0、μ>0 时, 如图1(a)所示,电场E,磁场H 和波矢量k 满足右手螺旋关系; 而当ε<0、μ<0 时, 上述三者满足左手螺旋关系,如图1(b)所示。
另外, 描述电磁波能流密度的坡印廷矢量定义为:S=E×H 由此看出, 能流密度与电场E、磁场H 满足右手螺旋关系。
从而可以得出一个有意思的结论, 当ε>0、μ>0 时, 能量流动方向S和电磁波的传播方向k是一致的;而当ε<0、μ<0 时, 两者的方向却是相反的。
波矢k代表相位传播方向,波印廷矢量S代表能流传播方向,即群速度传播方向.所以LHM是一种相速度与群速度相反的物质.(a)右手( ε>0, μ>0) (b) 左手( ε< 0, μ< 0)图(1) 电场、磁场、波向量与能流密度方向之间的向量关系同时,LHM必须是色散物质,这一点可以由电磁场能量表达式看出式(1)因为,如果不存在色散的话,根据式(1)ε<0,μ<0,总能量将为负值.(2)LHM具有负的折射特性图2中,如果媒质2同时拥有负参数,它的折射系数表征为:式(2)图(2) 电磁波在RHM 和LHM 两种材料分界面的传播由于两个负数乘积与两个正数乘积的值相同,等式(2)得到与正参数媒质相同的折射系数。
为便于区分和保持参数的一致性,假设媒质2有损耗且其电磁参数为复数:式(3)当:Re(ε2r),Re(μ2r)为正时, 0≤θε,μ≤π/2Re(ε2r),Re(μ2r)为负时, π/2≤θε,μ≤π将(3)代入(2)中得到:这样折射系数明确地由构成媒质电磁参数的正负所决定,即右手材料中n2>0称为正折射,左手材料中n2<0称为负折射。
折射角的大小仍可由折射定理给出,当n2=-｜n2｜时,由折射定理n1sinθ1=n2sinθ2可以得到一个负折射角,此时折射线和入射线出现在法线的同侧。
用它制成的透镜与普通玻璃透镜相比有着完全不同效果,如用LHM做成的凸(凹)透镜对光线有发散(汇聚)作用,与玻璃透镜的情况正好相反,如图(3)所示。
图(3) 左手媒质做成的透镜对光的折射(3)LHM负的Doopler效应在左手材料中波矢方向与能流方向相反,如图(4)所示。
若探测器向光源(频率为ω0)靠近时,在RHM中探测到的频率比ω0高,而在LHM中探测到的频率比ω0低。
若探测器离开光源时,在RHM中探测到的频率比ω0低,而在LHM中探测到的频率比ω0高。
左手材料中源的辐射性传播并不是向前而是指向辐射源。
图(4) 两种媒质的Doopler效应描述电磁波功率流动的坡印亭矢量表示为S=E×H*,因各个构成量并不依赖构成材料电磁参数符号的变化而变,表明在左手媒质中坡印亭矢量和群速仍与在右手媒质中相同。
(4)LHM的分界面条件从Maxwell方程我们得到电磁波经过两种媒质界面时K、E、H的切向分量连续不受影响,法向边界条件不连续,满足边界条件:(4)(5)当,,从(4)、(5)式可得出En1、Hn1分别与En2、Hn2符号相反,而切线分量不变,则能流S的方向(E×H)在LHM中与波矢K方向相反(图5所示)。
研究者们从试验现象上进行了验证,如C.Caloz用软件对LHM和RHM交界处进行仿真模拟,得到了各量在分界面处的变化情况。
结果归纳如图所示。
图(5)RHM 和LHM 交接面处的边界条件(5)LHM的本征阻抗值电磁波从RHM入射到LHM,为便于研究,不妨设在两种材料中传能量输相同,使时能量完全匹配,电磁波完全从一种媒质进入到另一种媒质中,则在交界面处反射系数必须为零,对于垂直入射波( )有或者,阻抗值由材料的无源特性决定,因此左手材料的阻抗仍为正值。
(6) 完美透镜“完美透镜”的概念如下: 当一束光源从真空射入左手介质组成的平板时, 由于左手介质的负折射率导致折射光线以相对于表面的负角度偏折, 使得原先从一个光源发出的光线重新聚焦于一点, 如图6 所示。
图(6)完美透镜示意图当透镜的相对介电常数和相对磁导率皆为- 1; 即εr= - 1, μr = - 1, 此时透镜介质阻抗与真空相同。
此时透镜与外部媒质的分界面上达到良好的匹配,其反射系数为零。
Pendry 认为, 在这种情况下, 传播波与消失波对图像的分辨率都有贡献。
因此, 在重构一副图像时, 不受实际尺寸和透镜表面完美性的限制。
可以实现“理想成像”。
(7) 负介电常数实现的理论解释等离子体的介电常数表示为Drude模型:其中等离子体频率,m为总动量值,N为平均电荷密度。
其介电常数随频率变化而变化,当工作频率低于ωp时,将εp(ω)<0,此时波矢为虚数,电磁波不能在等离子体内传播。
J.Pendry为左手材料的实现奠定了理论基础,1996年发表论文指出,周期排列的金属细线(rod)对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为相似,其原理是电磁场在金属细线上产生感应电流,正负电荷分别向细线两端聚集,从而产生与外来电场反相的电动势。
当电磁波电场极化方向与金属线平行时起高通滤波作用,在低于电等离子频率时材料介电常数会出现负值,且满足表达式:ωp是电等离子频率,此时,n为金属内的电荷密度,r为细线半径,α是细线间距。
ωe是电谐振频率,当频率出现在ωe和ωp之间时εeff出现负值(8)负磁导率实现的理论解释1999年Pendry提出另外一种结构,周期排列且单元尺寸远比波长小的金属开环谐振器SRRs(split ring resonators)。
开环谐振器在受到微波磁场的作用会感应出环电流,这好比一个磁矩,加强或者抵抗原磁场,在谐振频率处会出现负磁导率,且满足表达式:F为SRRs在一个单元的填充因子,ω0为依赖于SRRs结构的谐振频率,ωm是磁等离子频率,Γ是损耗因子。
ω0<ω<ωm,μeff出现负值。
三左手材料的实现(1)微波段LHM的合成1)基于SRRs和金属线的LHM合成Smith和Shelby等人根据负介电常数和负磁导率获得的方法将Rods近距离放在SRRs附近,通过周期排列构成复合材料。