左手材料制備的研究進(jìn)展

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1、http://www.paper.edu.cn左手材料制備的研究進(jìn)展112王曉燕,李國(guó)鋒張慶猛1北京理工大學(xué)理學(xué)院物理系(100081)2西安交通大學(xué)理學(xué)院(710049)E-mail:wxyzqm7980@126.com摘要:左手材料最早是在1968年由前蘇聯(lián)科學(xué)家V.G.Veselago理論上提出的它是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料,近幾年得到了突破性的進(jìn)展文章主要介紹了左手材料在制備方面的進(jìn)展一些制備方法已經(jīng)成功并在實(shí)驗(yàn)上觀(guān)測(cè)到了負(fù)折射現(xiàn)象一些還只是在理論上提出了實(shí)現(xiàn)的可能性關(guān)鍵詞:左手材料光子晶體負(fù)折射率負(fù)折射現(xiàn)象1.

2、引言1968年前蘇聯(lián)物理學(xué)家V.G.Veselago在理論上研究了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率嚴(yán)格地說(shuō)是它們的實(shí)部均為負(fù)值的物質(zhì)的電磁性質(zhì)首次提出了左手性物質(zhì)的概念并預(yù)言了一些奇異的電磁性質(zhì)如光的負(fù)折射現(xiàn)象逆多普勒效應(yīng)逆切連科夫效應(yīng)以及負(fù)光壓現(xiàn)象[1]等等盡管左手性物質(zhì)有很多奇異的電磁性質(zhì),但自然界中并不存在這樣的物質(zhì),又由于當(dāng)時(shí)技術(shù)上的原因因此研究只是停留在理論上,并且在隨后的30年里沒(méi)有得到大的發(fā)展直到2001年,美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校的D.R.Smith等人利用周期性排布的細(xì)銅導(dǎo)線(xiàn)和開(kāi)口諧振環(huán)首次制造出在微波波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)負(fù)磁導(dǎo)

3、率的人工復(fù)合媒質(zhì),并在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)[2]測(cè)到了負(fù)折射現(xiàn)象從而證明了左手性物質(zhì)的存在隨后左手材料受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注人們?cè)囍鴱母鱾€(gè)角度來(lái)制備左手材料并研究其特殊的性質(zhì)左手材料得到了快速的發(fā)展2.左手材料的制備方法2.1回旋物質(zhì)中實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率的理論研究介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述物質(zhì)電磁性質(zhì)的基本物理量決定著電磁波在物質(zhì)中的傳播特性和皆為二階張量在各向同性介質(zhì)中它們退化為標(biāo)量在絕大多數(shù)各向同性的自然介質(zhì)中和的實(shí)部均取正值有些自然介質(zhì)如金屬和等離子體對(duì)于頻率低于其等離子頻率的電磁波而言其表現(xiàn)為負(fù)值但在自然界中還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磁導(dǎo)率為負(fù)的物質(zhì)[1]V.

4、G.Veselago提出在回旋物質(zhì)中介電常數(shù)或磁導(dǎo)率可取為如下張量形式?ε1iε20??μ1iμ20?????εik=??iε2ε10?1μik=??iμ2μ10?2????00ε00μ?3??3?一個(gè)典型的例子就是磁場(chǎng)中的等離子體磁場(chǎng)的方向取為Z軸方向則它的介電常數(shù)1http://www.paper.edu.cn可取為1式中的張量形式磁導(dǎo)率為標(biāo)量如果一平面圓偏振波沿Z軸方向在等離子體中傳播則介電常數(shù)退化為標(biāo)量ε=ε±ε±分別對(duì)應(yīng)著右旋和左旋圓偏振光而在鐵12磁材料中磁導(dǎo)率取為2式中的張量形式介電常數(shù)為標(biāo)量同樣在某些特定條件下磁導(dǎo)

5、率也退化為標(biāo)量μ=μ±μ這樣就可尋找一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為張量的回旋物12質(zhì)例如純鐵磁性金屬或者半導(dǎo)體當(dāng)一圓偏振波沿著外加磁場(chǎng)的方向在這些介質(zhì)中傳播時(shí)折射率取為如下形式2n=(ε±ε)(μ±μ)1212從上式不難看出有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都可能為負(fù)從而在這種回旋媒質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率這種回旋媒質(zhì)要具有兩個(gè)性質(zhì)1要包含大量可移動(dòng)的載流子來(lái)形成電子空穴等離子體2存在相互作用的自旋體系來(lái)產(chǎn)生大的磁導(dǎo)率2.2基于周期性排布的細(xì)銅線(xiàn)和開(kāi)口諧振環(huán)的人工復(fù)合媒質(zhì)V.G.Veselago提出的左手物質(zhì)的實(shí)現(xiàn)方法在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下很難實(shí)現(xiàn)因此研究只是

6、停留在理論上,并且在隨后的30年里沒(méi)有得到大的發(fā)展直到1999年英國(guó)皇家學(xué)院的[3]J.B.Pendry提出細(xì)金屬線(xiàn)陣列結(jié)構(gòu)具有類(lèi)似于稀薄等離子體的性質(zhì)當(dāng)入射波頻率低于等離子共振頻率時(shí)有效介電常數(shù)為負(fù)值有效介電常數(shù)與頻率的關(guān)系為ω22p2neε=1?ω=eff2pωεm0eω為等離子頻率一般金屬的等離子頻率落在可見(jiàn)光或者近紫外波段在金屬線(xiàn)陣列p中自由電子受到限制只能沿著金屬線(xiàn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了兩種影響1降低了有效電子密度[4]2利用磁效應(yīng)增加了電子有效質(zhì)量這使得等離子頻率降到微波波段1999年J.B.Pendry又提出利用開(kāi)口諧振環(huán)簡(jiǎn)稱(chēng)S

7、RR的周期性排布結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率公式形式如下2Fωμ=1?eff22ω?ω+iωΓ0FωΓ是SRR本身幾何尺寸的參數(shù)與頻率無(wú)關(guān)基于以上兩種結(jié)構(gòu)美國(guó)加0[2]州大學(xué)圣迭戈分校的D.R.Smith等人利用周期性排布的細(xì)銅線(xiàn)和開(kāi)口諧振環(huán)構(gòu)造了在微波波段同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的人工復(fù)合媒質(zhì)(又稱(chēng)metamaterial)如圖1所示并首次通過(guò)棱鏡實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到了微波通過(guò)這種人工媒質(zhì)與空氣的交界面時(shí)發(fā)生的負(fù)折射現(xiàn)象這種人工媒質(zhì)是利用局域共振機(jī)制導(dǎo)致介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)既材料具有有效的負(fù)折[5]射率的它要求入射波波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周期性單元

8、的尺寸因此該結(jié)構(gòu)可看成均勻媒質(zhì)2http://www.paper.edu.cn由于該結(jié)構(gòu)具有較大的損耗和較窄的負(fù)折射帶寬在應(yīng)用中會(huì)受到很大的限制圖1人工合成媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖2.3利用光子晶體實(shí)現(xiàn)負(fù)的折射現(xiàn)象光子晶體是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新