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1、左手材料研究進(jìn)展及其應(yīng)用前景工信部電子科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所黃慶紅1概述左手材料（Left-HandedMetamaterial，LHM）是一種介電常數(shù)（ε）和磁導(dǎo)率（μ）均為負(fù)的人工周期材料，由于其具有反常的多普勒（Doppler）效應(yīng)、反常的切連科夫（Cherenkov）效應(yīng)、理想透鏡以及負(fù)折射效應(yīng)等特性，成為應(yīng)用物理、光學(xué)以及材料等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于左手材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都是負(fù)數(shù)，所以也稱之為“雙負(fù)介質(zhì)材料”，通常被稱為“負(fù)折射系數(shù)材料”。特異材料[1]（Metamaterial）是左手材料的另一個(gè)名稱，它的目標(biāo)是利用人造構(gòu)成要素替代原子及分
2、子、以類似結(jié)晶的結(jié)構(gòu)規(guī)律來形成新的傳輸介質(zhì)。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。自然界中，所有已知電介質(zhì)的介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為正值。入射電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢三者構(gòu)成右手關(guān)系，這樣的物質(zhì)被稱為右手材料。通常在自然界見到的都是右手材料，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(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢卻構(gòu)成左手關(guān)系。由于自然界中不存在ε和μ同時(shí)小于零的物質(zhì)，可以通過人工分別設(shè)計(jì)負(fù)介電常數(shù)材料和負(fù)磁導(dǎo)率材料，將兩種材料組合起來從而實(shí)現(xiàn)左手材料。也可以通過單一結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)“雙負(fù)”，同一結(jié)構(gòu)同時(shí)
3、出現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的前提是其在某一頻率范圍內(nèi)應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)磁諧振和電諧振。2左手材料研發(fā)進(jìn)程2.1左手材料的概念起源于理論研究1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago發(fā)表論文，首次報(bào)道了在理論研究中對(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(chǎng)、磁場(chǎng)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。電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，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。材料世界從此翻開新的一頁。在這一具有顛覆性的概念被提出后的三十年里，在自然界并未發(fā)現(xiàn)實(shí)際的左手材料。直到將近新世紀(jì)時(shí)才出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。20世紀(jì)90年代，英
4、國科學(xué)家Pendry等人受到光子晶體研究的啟發(fā)，提出了分別實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率介質(zhì)的理論模型，重新開啟了該領(lǐng)域的研究。Pendry研究發(fā)現(xiàn)周期性排列的導(dǎo)電金屬線對(duì)電磁波的響應(yīng)與等離子體對(duì)電磁波的響應(yīng)行為極為相似，通過此種方法獲得介電常數(shù)ε為負(fù)的材料，從此人們開始對(duì)這種材料投入研究興趣。周期排列的金屬線結(jié)構(gòu)如圖1所示。2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌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天線、聚焦微波波束、實(shí)現(xiàn)“完美透鏡”、用于電磁波隱身等。圖1周期排列的金屬線結(jié)構(gòu)2.2新世紀(jì)初左手材料問世引起矚目2000年，
5、美國Smith等首次利用開口諧振環(huán)（SRR）和電諧振器（如開口金屬線）組成的陣列實(shí)現(xiàn)了“雙負(fù)”材料。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。美國衣阿華州立大學(xué)（IowaStateUniversity）的S.Foteinopoulou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)院的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。左手材料的研制進(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。2004年，國際學(xué)術(shù)界開始出現(xiàn)
6、中國科學(xué)家的身影。復(fù)旦大學(xué)的資劍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組經(jīng)過兩年的研究與設(shè)計(jì)，利用水的表面波散射成功實(shí)現(xiàn)了左手介質(zhì)超平面成像實(shí)驗(yàn)，論文發(fā)表于著名的《美國物理評(píng)論》雜志上，引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。2004年，俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所宣布用左手材料研制成功一種具有超級(jí)分辨率的鏡片，這種鏡片可以構(gòu)成不會(huì)丟失信息、將所有能量完全復(fù)制到成像點(diǎn)的完美透鏡（PerfectLens）。其原理是左手介質(zhì)中能流方向和波矢方向相反，左手介質(zhì)中倏逝波表現(xiàn)為指數(shù)增強(qiáng)場(chǎng)，相當(dāng)于透鏡對(duì)波進(jìn)行了放大。同年，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長(zhǎng)的射線
7、有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜緊鄰無線電波。兩國科學(xué)家的研究成果被美國物理學(xué)會(huì)評(píng)為2004年度國際物理學(xué)會(huì)最具影響的研究進(jìn)展。2005年，美國印第安那州普渡大學(xué)首次成功開發(fā)了波長(zhǎng)1.5μm的紅外線區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)折射率的人造介質(zhì)左手性特異材料[1]。波長(zhǎng)為1.5μm的紅外線在光通信領(lǐng)域已被廣泛采用。在光通信控制技術(shù)方面，此前的研究熱點(diǎn)是硅微細(xì)線光導(dǎo)波路及光子結(jié)晶，而此次LHMs的開發(fā)成功，則提供了一種全新的光控方法。2008年，德國斯圖加特大學(xué)Liu等制備了多層的U形金納米環(huán)結(jié)構(gòu)[2]，分別在120THz和200THz附近實(shí)現(xiàn)了負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率。利用雙
8、模板輔助化學(xué)電沉積法制備了周期性排列的金屬銀樹枝陣列，發(fā)現(xiàn)其在紅外波段具有很強(qiáng)的透射通帶，并且在對(duì)應(yīng)頻率表現(xiàn)
