左手材料研究進(jìn)展及應(yīng)用

《左手材料研究進(jìn)展及應(yīng)用》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、左手材料研究進(jìn)展及應(yīng)用?左手材料,指的是介電常數(shù)(ε)和磁導(dǎo)率(μ)都是負(fù)數(shù)的材料(物質(zhì)).在自然界中,所有物質(zhì)的介電常數(shù)(ε)和磁導(dǎo)率(μ)都是正數(shù).左手材料這種新型材料的非常之處,在于其負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率使得主導(dǎo)普通材料行為的許多物理特性產(chǎn)生逆變.左手材料有時(shí)也被稱作”異向介質(zhì)”,”負(fù)折射系數(shù)材料”.迄今為止,我們?cè)谧匀唤缰幸姷降亩际怯沂植牧?右手規(guī)則一直被認(rèn)為是物質(zhì)世界的常規(guī).但是,在左手材料中,電磁波的電場,磁場和波矢卻構(gòu)成左手關(guān)系.這也是這種材料被稱為"左手材料"的原因.由于這種材料的

2、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都是負(fù)數(shù),折射率也是負(fù)的,根據(jù)電磁學(xué)理論,可以推斷出它有很多奇異的物理特性.由于這個(gè)學(xué)期正在學(xué)習(xí)電磁場,電磁場的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和這種反常自然界物質(zhì)的神奇特性讓我非常感興趣.雖然閱讀了較多的文獻(xiàn),不過很多理論還是不能理解.不過,我理解的那一部分已經(jīng)受益匪淺了.比如,人的大腦要有創(chuàng)新精神,敢于突破常規(guī),雖然右手規(guī)則是統(tǒng)治自然界物質(zhì)的普遍規(guī)律,在我們的腦海中,也根深蒂固的有ε和μ同時(shí)>0的概念,不過,只要敢于想,敢于創(chuàng)造,這種突破自然界常規(guī)的物質(zhì)LHM(lefthandmaterial)就可以

3、發(fā)揮出它巨大的功能.一.左手理論的起源和發(fā)展1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselag。在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文，首次報(bào)道了他在理論研究中對(duì)物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即:當(dāng)ε和μ都為負(fù)值時(shí)，電場、磁場和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系。他稱這種假想的物質(zhì)為左手材料，同時(shí)指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負(fù)折射、負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等等。這篇論文引起了一位英國人的關(guān)注，1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個(gè)前蘇聯(lián)物理類學(xué)術(shù)刊物上。但幾乎無人意識(shí)到，材料世界從此翻開新的一頁

4、。?左手材料的研究發(fā)展并不是一帆風(fēng)順。在這一具有顛覆性的概念被提出后的30年里，盡管它有很多新奇的性質(zhì)，但由于只是停留在理論上，而在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)實(shí)際的左手材料，所以，這一學(xué)術(shù)假設(shè)并沒有立刻被人接受，而是處于幾乎無人理睬的境地，直到將近本世紀(jì)時(shí)才開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。英國科學(xué)家Pendry等人在1998-1999年提出一種巧妙的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率，從此以后，人們開始對(duì)這種材料投入了越來越多的興趣。2001年的突破，為左手材料的研究形成熱潮莫定了歷史性基礎(chǔ)。2001年，美國加州大學(xué)S

5、anDiego分校的DavidSmith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，微波以負(fù)角度偏轉(zhuǎn)，從而證明了左手材料的存在。2002年7月，瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的左手材料，這將可能對(duì)電子通訊業(yè)產(chǎn)生重大影響，相關(guān)研究成果也發(fā)表在當(dāng)月的美國《應(yīng)用物理快報(bào)》上。2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甄教授從理論上證明了左手材料存在的合理性，并稱這種人工介質(zhì)可用來制造高指向性的

6、天線、聚焦微波波束、實(shí)現(xiàn)“完美選鏡”、用于電磁波隱身等等。左手材料的前景開始引起學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界尤其是軍方的無限遐想。2003年是左手材料研究獲得多項(xiàng)突破的一年。美國西稚圖BoeingPhantomWorks的C.Parazzoli與加拿大UniversityofToronto電機(jī)系的G.日eftheriades所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測到了負(fù)拆射定律;IowaStateUniversity的S.Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子晶體做為介質(zhì)的左手物質(zhì)理論仿真結(jié)果;美國麻省理工學(xué)覽

7、的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》雜志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；诳茖W(xué)家們的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，左手材料的研制赫然進(jìn)入了美國《科學(xué)》雜志評(píng)出的2003年度全球十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。二.LHM的理論解釋(1)k,E,H的左手關(guān)系從Maxwell方程出發(fā):?對(duì)于各向同性的LHM,存在本構(gòu)關(guān)系:D=εE??B=μH從波動(dòng)方程:?得到色散關(guān)系:其中為折射率的平方。對(duì)于折射率n,當(dāng)ε和μ同時(shí)>0時(shí),符合色散關(guān)系,波動(dòng)方程有解。若同時(shí)改變介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的符號(hào),使

8、得ε和μ同時(shí)<0,可以看到他們的乘積數(shù)值相同,波動(dòng)方程同樣會(huì)有解,這并不違反Maxwell定律。但電磁參數(shù)同時(shí)為負(fù)的解必然和通常的不同,從而得到電磁波的特性必然有很大差異。由麥克斯韋的兩個(gè)旋度方程:??電磁波在無源媒質(zhì)中傳播時(shí)可得由可以看出,當(dāng)ε>0、μ>0時(shí),如圖1(a)所示,電場E,磁場H和波矢量k滿足右手螺旋關(guān)系;而當(dāng)ε<0、μ<0時(shí),上述三者滿足左手螺旋關(guān)系,如圖1(b)所示。另外,描述電磁波能流密度的坡印廷矢量定義為:S=E×H由此看出,能流密度與電場E、磁場H滿足右手螺