左手材料的研究概述

廈門(mén)大學(xué)光波技術(shù)研究所 李海雄

1.引言

左手材料(Left handed material)，作為一種自然界至今并未發(fā)現(xiàn)，人工合成的周期結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(A composite or structured material that exhibits properties not found in naturally occurring materials or compounds)。是由前蘇聯(lián)物理學(xué)家Mandelshtam于1940年最初提出的。而Veselago于1968年在文章中[1]，根據(jù)Maxwell方程組，分析了電磁波在其中傳播時(shí)，與常規(guī)介質(zhì)不同，E?、H?和K?之間滿足左手螺旋關(guān)系而不是右手螺旋關(guān)系。但是在接下來(lái)的30多年里，并沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中觀察到理論所預(yù)言到的現(xiàn)象，所以左手材料并沒(méi)有得到深入地研究。直到1996年英國(guó)的皇家科學(xué)院院士J.B.Pendry把金屬絲(Rods)均勻排列，電磁波射入金屬絲陣列得到負(fù)的介電常數(shù)。三年之后，他又利用開(kāi)口的金屬諧振環(huán)(SRR，Split ring resonator)，在特定入射波的條件下又獲得了負(fù)的磁導(dǎo)率。2000年，美國(guó)的科學(xué)家D.R.Smith研究小組在Pendry等人研究的基礎(chǔ)上，將SRR和Rods合理地組合起來(lái)，首次得到了同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的物質(zhì)，從此以后，越來(lái)越多的人投身到左手材料的研究熱潮中，左手材料被“Science”雜志評(píng)為2003年度十大科技突破之一。尤其是在最近幾年來(lái)，左手材料的研究在理論和應(yīng)用上都取得了顯著的成績(jī)。并且逐漸改變著我們的生活。

2.左手材料的基本原理

而電磁波要在介質(zhì)中存在，必須滿足與介質(zhì)的電磁常數(shù)和電磁波參量相關(guān)聯(lián)的波動(dòng)方程，Helmholtz方程：

圖1 (a)樹(shù)葉狀結(jié)構(gòu)的左手材料；(b)螺旋狀結(jié)構(gòu)的左手材料；(c)蘑菇型結(jié)構(gòu)的左手材料；(d)雙S型結(jié)構(gòu)的左手材料；(e)雙Z型結(jié)構(gòu)的左手材料

由此可知，在左手介質(zhì)中，波的相位傳播矢量K、電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H與常規(guī)介質(zhì)相同，也是相互垂直的，可是不同的是，常規(guī)介質(zhì)的E、H和K之間滿足的是右手螺旋關(guān)系，而左手介質(zhì)中的E、H和K之間滿足的是左手螺旋關(guān)系。這也是為什么人們把介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)數(shù)的介質(zhì)稱(chēng)為左手介質(zhì)的緣故。

同時(shí)，多普勒效應(yīng)、切倫科夫輻射、輻射壓力、原子自發(fā)輻射效率、對(duì)倏逝波的作用、光子隧道效應(yīng)等會(huì)發(fā)生異常。

3.左手材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)橹两裨谧匀唤绮](méi)有發(fā)現(xiàn)左手介質(zhì)，目前人們?cè)趯?shí)驗(yàn)或者工程中用到的左手介質(zhì)樣品都是人為設(shè)計(jì)的，是一種復(fù)合材料。大部分都是在微波印刷電路板上刻蝕各種各樣不同的周期性的圖案來(lái)實(shí)現(xiàn)等效左手特性的。各個(gè)方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有能夠達(dá)到人們對(duì)左手材料的期望并且確實(shí)可以改變?nèi)藗兩a(chǎn)生活的程度。在由結(jié)構(gòu)決定材料性質(zhì)方面，左手材料既有與傳統(tǒng)材料相似的一面也有截然不同的一面。相似之處主要表現(xiàn)在與晶體的對(duì)比上，晶體是由規(guī)則分布在空間中的原子或分子組成的，并且晶體表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)與原子或分子在空間的分布排列狀況有非常密切的關(guān)系。而左手材料的性質(zhì)很大一部分取決于各種不同結(jié)構(gòu)在空間的分布。它們都是不同結(jié)構(gòu)在空間有規(guī)律的分布來(lái)影響物質(zhì)表現(xiàn)出來(lái)的性質(zhì)的。不同之處在于它們的維度并不在一個(gè)等級(jí)上，組成晶體的粒子是微觀的，構(gòu)成左手材料的結(jié)構(gòu)是宏觀的。由于材料制備、加工技術(shù)手段等因素的影響，目前研究中制備出的左手材料樣品，與傳統(tǒng)的介質(zhì)最主要區(qū)別在于；傳統(tǒng)介質(zhì)的性質(zhì)不光取決于粒子的分布，而且更主要的取決于粒子本身的性質(zhì)，而左手介質(zhì)的性質(zhì)不光取決于基本單元的空間分布，而且還取決于基本單元的幾何形狀。雖然與基本單元的物質(zhì)組成有一定的關(guān)系，但關(guān)系并不像傳統(tǒng)介質(zhì)那樣密切。于是制造出性能良好的左手材料必須由各國(guó)科研工作者付出極大的努力。同時(shí)也看出，在左手材料的研究過(guò)程中，材料的構(gòu)造，設(shè)計(jì)和加工的重要性。世界上不同國(guó)家和地區(qū)的科研工作者已經(jīng)設(shè)計(jì)出了許多不同形狀的基本單元結(jié)構(gòu)，金屬開(kāi)口諧振環(huán)和金屬棒復(fù)合結(jié)構(gòu)是最初提出來(lái)的左手材料結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，各種相似的結(jié)構(gòu)不斷被提出，這些新提出來(lái)的結(jié)構(gòu)都在性質(zhì)上得到了不同角度的優(yōu)化；如R.A.Shelby提出來(lái)的方形環(huán)[2]，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果同時(shí)顯示在二維，X波段上實(shí)現(xiàn)了均勻的左手特性，并且介質(zhì)的損耗也有所降低。Th.Koschny雖然也是方形環(huán)，但是在三維結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了各向同性，S.O.Brien提出的C形環(huán)擴(kuò)展了最初只在微波頻段上才能實(shí)現(xiàn)的局限，用不同厚度的和幾何大小的基本結(jié)構(gòu)在紅外頻段上實(shí)現(xiàn)了左手特性，螺旋環(huán)，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，樹(shù)葉狀結(jié)構(gòu)[3]，蘑菇型結(jié)構(gòu)，雙S型結(jié)構(gòu)，Z型結(jié)構(gòu)[4]等，如圖1示。

4.結(jié)語(yǔ)

左手材料的實(shí)現(xiàn)在思想上給予人們巨大的沖擊，理論上和應(yīng)用上都開(kāi)辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域?？茖W(xué)家們預(yù)言左手材料將會(huì)在移動(dòng)通信，信息存儲(chǔ)，電磁隱身等方面發(fā)揮重大的作用。尋找結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗低，頻帶寬，固態(tài)的，各向同性，線性的左手材料是各國(guó)科技工作者追求的目標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)出新的結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及其物理特性的研究將會(huì)是今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)研究的主要任務(wù)。相信左手材料會(huì)在不久的將來(lái)會(huì)在人們的生活中開(kāi)始發(fā)揮重要作用。

[1]Veselago V.G.The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of permittivity and permeability[J].Soy Phys Usp,1968,10(4):509.

[2]R.A.Shelby,D.R.Smith,Microwave transmission through a two-dimensional,isotropic,left-handed Metamaterial,Applied Physics Letters,Vol.78,2001,489-491.

[3]趙曉鵬,蘇斌,龔伯儀.樹(shù)葉狀紅外頻段完美吸收器的仿真設(shè)計(jì)[J].物理學(xué)報(bào),Vol.61,2012,144203.

[4]王海俠,呂英華,張洪欣,吳艷玲.基于雙在形金屬條的雙入射型左手材料研究[J].物理學(xué)報(bào),Vol.60 2011,034101.