左手材料

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?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。左手材料是近年来国际上研究的热点，具有负折射率、逆多普勒效应、完美成像等一系列性质，通过金属周期性结构及传输线可人工实现，在天线及新型微波器件等性能改进方面具有极大的优势。

目录

?左手材料的发展历史

?左手材料的性质

?左手材料的人工实现

?左手材料的发展前景

左手材料的发展历史

?1968年，前苏联科学家VeselagoVG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SanDiego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ParazzoliCG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，都晰而显着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。

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。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,材料可以分为如图所示的4 类。在自然界中, 大部分材料位于1 象限,根据Maxwell 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。对于位于第Ⅲ象限的材料,发现ε和μ乘积仍然为正,说明波可以在其中传播, 与Ⅰ象限材料相比,虽然波方程没有改变,但Maxwell 旋度方程发生了改变,从而引起了电磁波传播性质上的根本变化。

1.电磁学性质

对于平面单色波，Maxwell 方程可以化成如下简单形式

在右手介质（ε>0，μ>0）中，由（1）（2）两式知，E、H、k 三者构成右手关系；在左手介质中，因为ε<0，μ<0，E、H、k 成左手关系。而（3）式不含ε和μ，因此不论是在左手介质还是在右手介质中，E、H、S 三者都是右手关系。在右手介质中，S 方向与K 方向相同，而在左手介质中两者相反。K 代表位相传播方向，S 代表能流传播方向即群速度方向，因此，左手介质是一种相速度和群速度方向相反的物质。同时，左手介质必然是色散介质，这一点可以由电磁场能量表达式（4）得到

若不存在色散的话，由ε＜0，μ＜0 总能量将为负值。

2.负折射现象当波通过两介质之间的界面时,如图所示.一边的磁导率μ1 和电导率ε1 均大于0,另一边的磁导率μ2 和电导率ε2 均小于0.

设对2 种媒介使用Maxwell 方程都将被满足,则有边界条件:

可见,E 和H 沿法线分量En2 和Hn2 的正负号,在ε2/ε1<0,μ2/μ1<0 时将与ε2/ε1>0, μ2/μ1>0 时符号的相对,那么,与ε2/ε1>0,μ2/μ1>0 的情况相对,在左手材料中折射光线将关于z 轴对称传播.

3.逆多普勒效应

在右手材料中，当波源和观察者之间的距离增加时，比如反射面相对于波源后退时，观察到的反射波的频率会减小，这就是多普勒效应。但在左手材料内，电磁波的相速度和群速度方向相反，即能量的传播方向和相位传播方向相反，所以在左手材料中的频移情况正好和右手材料相反，观察者接受到的反射波的频率会增加，这种现象为逆多普勒效应。

4.完美成像

根据瑞利准则，一种频率的电磁波通常只能用来分辩尺寸不小于大约其半个波长的物体，电磁波的波长决定成像的质量和清晰程度，所以波长越短，电磁波能分辩的物体尺寸就越小，清晰度就越高。传统透镜无法达到更好的分辩率，是因为电磁波同时具有凋落波和传播波分量，而凋落波在达到像点前大部分已经衰落。如果能够使凋落波分量在达到像点前放大，就可以恢复出凋落波对成像的贡献，而左手材料就可以做的这一点，近场可以在左手材料的表面激励起高频谐振，使己经衰落的凋落波在左手材料中被放大，那么使得凋落波在媒质内被放大的程度与在相当厚度的外部媒质中的衰落程度抵消，于是就可以在像点处完美成像。

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，这些次波与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，即能量辐射的方向与粒子运动方向夹角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,能量的传播方向与相速相反，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。

6.反Goos-Hanchen位移

光波从光密媒质入射到光疏媒质，当入射角为

将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面上将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移，该位移由Goos 和H?nchen 首次发现，因此命名为Goos-H?nchen 位移。如果介质2 为左手材料，|n2|

左手材料的人工实现

三、左手材料的人工实现

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。

2、传输线结构左手材料的实现传统的传输线由周期性排列的电子元器件组成,包括串联的电感和并联的电容,电磁波在其中

传播的色散关系与正折射材料相同。如果将电容与电感互换,即电感并联、电容串联,电磁波在其中传播的色散关系就与负折射材料类似。

下图给出了传输线实现左料的基本原理：

基于这一理论研究,2002 年,美国加州大学Itoh 教授给出了左手传输线单元结构,采用串联的交指电容等效左手输线中的串联电容,同时通过一个长的接地枝节来等效实现左手传输线中的并联电感。几乎同时候加拿大多伦多大学Eleftheriades 教授也提出左手传输线实现共面波导结构,并证明了电磁波沿传输线方向传播具有后向辐射特性。

由于在利用微带结构的分布集总参数等效实现左手单元结构中的串联电容和并联电感的时候,不可避免的引入了右手效应,所以，研究更多的是一种复合左右手结构(composite right/left-handed structure,CRLH)。通过在单元结构中加入串联电感和并联的电容来表示寄生的右手特性。

左手材料的发展前景

新型材料的出现，必然会带来应用技术上的革命。左手材料的奇异特性，自然引起了种种新奇的设想。

显微镜是用来观察细微物体的。但是，传统的光学镜头有个局限，它不能将光线聚焦到小于光线波长的尺寸。采用左手材料制作的“超级透镜”便不同了。一方面，它可以实现平板聚焦，无需制成曲面。另一方面，它没有传统透镜的局限，可以将光线聚焦到光线波长以下，甚至可以检测单个物质分子，而且还能放大倏失波，将二维像点的所有傅立叶分量全部聚焦，实现“理想成像”。这是采用常规光学技术不可能做到的。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辩率的镜片。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片。两国科学家的研究成果获得科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最具影响的研究成果。

根据左手材料不同凡响的特性，科学家已预言可以将之应用于通信系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的移动电话或者是容量更大的储存媒体，拓宽频带，改善器件的性能。据报道，上海同济大学物理实验室近日已经制造出新型左手材料天线，可让手机天线只对信号基站定向发射信号，而不向人脑方向发射，从而避免电磁波对人体的辐射。左手材料定向功能还为制造新一代手机天线创造条件。第四代，第五代移动通信技术对于智能化天线提出了极高要求，但现有手机天线无法实现定向寻找等智能化功能。基于左手材料的单个小天线，可实现高方向性或者波束扫描，轻松达到定向目的，还能大大降低能耗。

目前，国际通信产业界都在加紧研制左手材料，借以开发未来微波通信器件。

令各国军事部门倍感兴趣的是，左手材料有可能用于电磁波隐身。目前各国的隐身技术，主要是使用各种吸波、透波材料，实现对雷达的隐形；采用红外遮挡与衰减装置、涂敷红外掩饰涂料等，以降低红外辐射强度，实现对红外探测器的隐身；在可见光隐形上，只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初级的方法。不发光物质之所以可见，就是因为它反射和散射的光线。左手材料制造的兵器可能将光线或雷达波反向散射出去，使得从正面接收不到反射的光线或微波，从而实现隐身。

此外，左手材料还有可能在新型波导和光纤中得到应用，等等。如果使得产生负反折射系数的频段扩展到可见光领域（即频段上升5个数量级），则必然会出现更多的引人入胜的光学效应。

目前，左手材料的研制还刚刚处在起始阶段，随着研究的深入，新的突破出现，它必将开创一个新的纪元。