超材料

超材料：科学与技术发展的一种新前沿

摘要：超材料指的是一些具有自然界的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，在近十年来已经成为了材料科学、物理、化学以及工程学等学科的前沿发展方向。本文对超材料的基本理论与原理、最新的进展以及未来的发展方向做了详细的介绍。首先展示了超材料的基本原理与理论以及发展历程，其次针对最新发展做了介绍，包括超透镜、隐身斗篷和光子晶体以及超材料制备等。最后，本文对超材料研究的未来发展方向与趋势作了详细讨论。

关键字：超材料负折射完美透镜光子晶体材料制造

1引言

在3000多年前，人类就掌握了制铜技术，并学会了制作较高性能的铜合金的方法。在2000多年前人们又掌握了炼铁技术。在20世纪六十年代，半导体材料飞速发展起来。人们在利用这些材料基本是在原子与分子级别。近些年来纳米技术又飞速的发展，在纳米尺寸级别人类又有很多重要的发现与发明。

超材料是一种与上面所介绍的材料都不一样的全新材料。它提供了一种可以让人们随心所欲的制造具有许多特殊物理性质的全新思路与方法。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，上面所提到的半导体材料中最重要的单晶硅即是一种典型的晶体。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。

2 基本原理

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在电磁学理论中，介电常数与磁导率是用于描述物质电磁性质的基本物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。在传统的理论中，以上两个常数都必须 是为正数，负数是不具有任何物理意义的。这一观点在二十世纪六十年代受到了 质疑。1968年，前苏联科学家veselago 提出了介电常数与磁导率可能同时为负的理论，并从理论上虚构了一种这样一种具有负折射率的材料[1]。让我们做如下讨论。由麦克斯韦方程有：

。，，

，t D j H t B E B D ∂∂+=⨯∇∂∂-=⨯∇=⋅∇=⋅∇000ρ

各向同性介质的电磁性质方程为

H B E D μμεε00,==

考虑无源各向同性介质。对于时谐单色平面电磁波，可设其方程为)(0)(0,r k t j r k t j e H H e E E •--•--==ωω

代入麦克斯韦方程可得

.,,

0,000E H k H E k H k E k εωεμωμ-=⨯=⨯=•=•

由此定义构成右手系。由电磁场知识有

εμ=2n

那么折射率就有两个根：

εμεμ-=+=n n ,

我们习惯上舍弃负根，只保留正根。但是可接下来做如下分析。定义

k c n k k ˆˆ2ωλπ==

由上式可得

E H k c n H E k

c n

-=⨯=⨯ˆˆ00εεμμ

按照定义，和单位矢量成右手系，所以以上两式左边系数必须都为正。即要求折 2

射率 介电常数与磁导率同号。

.0n 0,0;

0n 0,0>+=>><-=<<εμμεεμμε时，当时，当

即从理论上推证了同时小于零的情况。由于在此介质中，电场、磁场和波矢成左手系，所以负折射材料又称左手材料，如图1所示。

图1a 图1b

图1a ，图,1b 光线从正折射率材料射入负折射率材料时发生的负折射现象

然而负折射率材料的构想虽然很有趣，但是自然界中并不存在这种材料。英国帝国理工学院的Pendry [2]从麦克斯韦方程和物质本构方程出发，通过理论计算指出：（1）间距在金属细线在毫米级的格子具有类似等离子体的物理行为，共振频率在GHz 与低于此频率时介电常数出现负值；（2）利用非磁性导电金属薄片构成开环共振器（Split ring resonator ，SRRs ）并组成方阵，可实现负的有效磁导率，而且负的磁导率是可调的，这是自然界的物质无法达到的。

Smith 等[3]人按照Pendry 的理论构想，利用金属铜的开环共振器和导线组成二维周期性结构，首次在试验上制造出微波波段具有负介电常数、负磁导率的介质，如图2。这种人工介质对微波表现出反常的折射方向。随后，Eleftheriades 等[3]和Parazzoli 等[4]分别发表了微波波段负折射率的报告。两组科学家在实验中直接观测到了逆折射定律：折射发生的方向与一般物质完全相反。至此，有关负折射率材料的实验证实完全确立了。由于这种材料的反常性质，又被称为超材料。后来随着这一领域的不断发展，超材料的意义以住进突破了负折射率材料的限制。

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图2 利用金属铜的开环共振器和导线组成二维周期性结构

3负折射率材料

3.1超透镜

Veslago[1]在考察双负材料曾指出，折射率为-1的平板棱镜能将来自附近电磁波源的光线聚焦到另一侧而成像。对于普通的光学透镜倏逝波而言，由于携带物体的亚波长信息的倏逝波随传播距离指数衰减，因此达到像平面的电磁波将损失关于物的一部分信息。Pendry研究介电常数和磁导率同时为-1的平板棱镜的成像行为时发现，左手材料的倏逝波振幅会被放大，它所包含的亚波长信息全部被保留下来，因而该棱镜突破了棱镜极限的限制，达到了亚波长分辨率的完美成像。Pendry将这种理论上的左手棱镜称为“完美透镜”。

然而，对于Pendry的理论，有科研人员对其产生了质疑[5]。他们认为，Pendry 假想的左手材料是不吸收或传播光的能量的一种形态，从而倏逝波将会包含无穷大的能量，因此其恢复是没有物理意义的，并且实际介质必然存在损耗，即使是非常小的吸收(与色散有关) 都将使倏逝波的放大退化为衰减。Smith等[6]通过理论分析指出，左手介质的损耗、透镜的厚度等因素都会影响到亚波长成像的分辨率，“完美透镜”只是理论上的假设，实际上都会有偏差。因此“超透镜”的概念要比“完美透镜”更贴切。

Zhang等研究倏逝波在银超透镜中的传播时发现，随着银薄膜厚度的增加，倏逝波的强度迅速增大，当银膜的厚度超过50nm后由于损耗的原因强度开始衰减。Gric等大利用微波传输线棱镜，实现了亚波长成像，分辨率达到波长的0.21

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