左手材料设计的研究进展

?４２?材料导报：综述篇２０１０年１月（上）第２４卷第１期

左手材料设计的研究进展＊

弓巧侠１，路纲２，赵双１，马凤英１

（１郑州大学物理工程学院，郑州４５０００１；２洛阳理工学院电气工程与自动化系。洛阳４７１０２３）

摘要阐述了左手材料的基本概念和性质，介绍了目前几种常见金属基元左手材料的结构，基本原理及特点，综述了左手材料近年来的研究动态及发展前景，指出左手材料要得到应用必须向低损耗和宽带宽方向发展。

关键词左手材料负介电常数负磁导率负折射

中图分类号：Ｔ０７３９

ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＬｅｆｔ—ｈａｎｄｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ

ＧＯＮＧＱｉａｏｘｉａｌ，ＬＵＧａｎｇｅ，ＺＨＡＯＳｈｕａｎ９１，ＭＡＦｅｎｇｙｉｎ９１

（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１：２ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＬｕｏｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１０２３）

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｅｘｐａｔｉａｔｅｄ，ｔｈｅｕｎｉｔｃｅｌｌｓ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｍｅｔａｌｌｉｃｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｒｉｅｆｌｙｔｈｅｌａｔｅｓｔａｄｖａｎｃｅｓａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｏｒｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｉｔｗｉｌｌｂｅｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｄｅｖｅｌｏｐＬＨＭ’Ｓｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｉｅ－ｑｕｅｎｃｙｂａｎｄｗｉｄｔｈｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｌｏｗｅｒｌＯＳＳｅＳ．

Ｋｅｙｗｏｎｂ

ｌｅｆｔ—ｈａｎｄｅｄｍａｔｅｒｉａｌ，ｎｅｇａｔｉｖｅｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ，ｎｅｇａｔｉｖｅｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ，ｎｅｇａｔｉｖｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ

０引言

左手材料是指在一定的频段下，ｋ、Ｅ、Ｈ三者之间成左手螺旋。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ＶｅｓｅｌａｇｏＬｕ提出，从理论上预言可制备出这种材料。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，所以在随后的３０年里对左手材料的研究几乎处于停滞状态。１９９６年英国物理学家Ｐｅｎ－ｄｒｙ＿［ｚｌ提出，周期性排列金属棒（Ｒｏｄｓ）的电响应与金属等离子体类似，介电常数￡在电磁波的频率小于等离子体频率时为负值。１９９９年Ｐｅｎｄｒｙ等［３３又证职周期性排列金属开口谐振环（Ｓｐｌｉｔｒｉｎｇｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，ＳＲＲｓ）的磁导率口在谐振频率附近为负值。２００１年Ｓｈｅｌｂｙ等［４］将这２种结构组合，从实验上验证了负折射率材料的负折射效应，被“Ｓｃｉｅｎｃｅ”杂志评为２００３年度十大科技突破之一。２００６年Ｄｕｃｋ大学的科学家们提出利用左手材料可以制作“隐形斗篷”【ｓ］，被“Ｓｃｉｅｎｃｅ”杂志评为２００６年度世界十大科技突破之一。目前左手材料已成为全世界科学技术领域所关注的热点之一［６＿１引。

１左手材料的基本原理

电磁波在介质中的传播行为是由介质的介电常数ｅ和磁导率∥决定的。在经典电动力学中，对于各向同性均匀介质的自由空间，Ｍａｘｗｅｌｌ方程及物质方程为：

Ｖ×蔗一一筹（百一ｐ弃）

Ｖ×Ｈ一等（Ｄ一￡Ｅ）（１）

Ⅳｆ

将平面时谐电磁波的波函数

Ｅ（ｘ，￡）一Ｅｏｅｌ‘虹一。‘’

Ｂ（ｘ，￡）一Ｂｏｅｊ‘ｈ一“’（２）代入Ｍａｘｗｅｌｌ方程组，可得：

ｋ×Ｅ一（掣Ｈ

Ｈ—’

ｋ×Ｈ一一６哐Ｅ（３）波的相位传播矢量ｋ和电矢量Ｅ与磁矢量Ｈ相互垂直。在正常材料中，￡和／ｚ都是正数时，ｋ、Ｅ、Ｈ遵守右手定则，所以正常材料就被称为右手材料（Ｒｉｇｈｔｈａｎｄｅｄｍａｔｅ－ｒｉａｌｓ），波矢量志＝∞、，缸。如果介质的￡与／ｚ之间一个为正数而另一个为负数，则Ｍａｘｗｅｌｌ方程无波动解，电磁波不能在其中传播。如果介质的￡和口都小于零，则方程有波动解，电磁波能在其中传播，但是变为：

４＿＋—＿＋

ｋ×Ｅ一－－０３Ｉ口ＪＨ

ｉ×青一甜㈦叠（４）显然七、Ｅ、Ｈ之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系，这种介质就被称为左手材料（Ｌｅｆｔｈａｎｄｅｄｍａｔｅｒｉａ－ｌｓ），波矢量ｋ一一∞石。在左手材料中，介电常数ｅ和磁导率ｔｚ同时小于零，Ｅ、Ｈ与ｋ构成“左手关系”，ｋ与坡印亭矢量Ｓ＝ＥＸＨ方向相反。由于ｋ代表相速度的方向，ｓ代表能量速度的方向，所以，在左手材料中，相速度与能量速度方向相反。使左手材料表现出非常奇异的电磁性质。如它的折射

＊河南省教育厅自然科学研究计划项目（２００９Ａ１４００８）

弓巧侠：讲师，主要从事新型电磁材料性质及器件研究Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｑｘｌ２０５＠ｚｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ万方数据