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1、劉亞紅等:微波左手材料及其應用前景3393微波左手材料及其應用前景劉亞紅,羅春榮,趙曉鵬(西北工業(yè)大學電流變技術(shù)研究所,陜西西安710072)摘要:左手材料是一種介電常數(shù)ε和磁導率μ同2左手材料的實現(xiàn)時為負的人工周期結(jié)構(gòu)材料,在其中傳播電磁波的群速度與相速度方向相反,從而呈現(xiàn)出許多奇異特性。由于自然界中不存在ε和μ同時<0的物質(zhì),因而本文介紹了左手材料的基本概念、實現(xiàn)原理,綜述了其Veslago提出的LHMs只能作為一種理論上的設(shè)想而在理論與實驗研究方面取得的最新進展、研究熱點、缺無法實現(xiàn)。而每一種材料都可以
2、看作為復合材料,可陷效應及實現(xiàn)負折射的其它途徑。最后對左手材料的以通過人工分別設(shè)計負介電常數(shù)材料和負磁導率材應用前景進行了展望。料,并將兩種材料組合起來從而實現(xiàn)左手材料。關(guān)鍵詞:左手材料;負介電常數(shù);負磁導率;負折射2.1理論上左手材料的實現(xiàn)中圖分類號:O436.1;O441文獻標識碼:A2.1.1負介電常數(shù)的實現(xiàn)文章編號:100129731(2006)0320339206Pendry提出了一種獲得負介電常數(shù)材料的方法,他發(fā)現(xiàn)周期性排列的導電金屬線對電磁波的響應與等1引言[6]離子體對電磁波的響應行為相似。等
3、離子體是由大左手材料(left2handedmetamaterials,LHMs)是量接近自由運動的帶電粒子所組成的體系,在整體上一種介電常數(shù)ε和磁導率μ同時為負的人工周期結(jié)構(gòu)呈電中性,其介電常數(shù)為:2材料,在其中傳播電磁波的電場分量、磁場分量與波矢ωpε(ω)=1-(1)2滿足左手定則;群速度與相速度方向相反,從而呈現(xiàn)出ω許多反常的物理光學現(xiàn)象,如負折射效應[1,2]、反常多其中ωp為等離子體頻率。當ω<ωp時,其介電常普勒效應[3]、完美透鏡效應[4,5]、反常Cherenkov輻射數(shù)<0。而金屬的等離子
4、體頻率為:2等。左手材料的概念最早由前蘇聯(lián)科學家Veselagoω2nee(2)p=ε0meff于1968年提出,但是由于自然界不存在這種性質(zhì)特異其中ne為電子數(shù)密度,e為電子電量,meff為電子的物質(zhì),在近30年內(nèi)對其的研究幾乎處于停滯狀態(tài)。有效質(zhì)量ε,0為真空介電常數(shù)。通常金屬的等離子體20世紀90年代,受到光子晶體研究的啟發(fā),英國物理頻率ωp在紫外光波段,因而金屬在稍低于其等離子體學家Pendry提出了分別實現(xiàn)負介電常數(shù)和負磁導率頻率ωp處的光學頻段具有負介電常數(shù)。為了宏觀排介質(zhì)的理論模型,重新開啟了該
5、領(lǐng)域的研究。Pendry列的方便性要實現(xiàn)微波段的負介電常數(shù),需要降低等等研究發(fā)現(xiàn)周期性排列的導電金屬線對電磁波的響應[6]離子體頻率ωp。而周期性排列的金屬線陣列如圖1,與等離子體對電磁波的響應行為極為相似,可通過能夠降低其有效電子數(shù)密度ne,提高有效質(zhì)量meff,從此種方法獲得介電常數(shù)ε為負的材料;Pendry又進一而降低其等離子體頻率ωp,實現(xiàn)微波段負介電常數(shù)。步研究表明按不同方式排列的導電開口諧振環(huán)(splitPendry理論研究表明周期性排列的金屬線陣列的等ringresonators,SRRs)的電
6、磁響應行為與磁性材料相離子體頻率可表示為:似,尤其是該結(jié)構(gòu)的磁導率μ在某一特定頻率范圍為2[7]22πc0負。依據(jù)Pendry的設(shè)計思想,Smith等將SRRs和ωp=2(3)aln(a/r)金屬線按照一定的圖案周期性排列而制備了一種人工式中r為金屬線半徑,其值很小,a為晶格常數(shù),c0[8,9]結(jié)構(gòu)材料,并對其微波電磁響應行為進行了實驗研為真空中光速。周期性排列的金屬線陣列的有效介電究,首次證實了負折射現(xiàn)象的存在。該發(fā)現(xiàn)激起了研常數(shù)可表示為:究者的極大興趣,自此左手材料的研究工作成為科學22ωp-ω0ε(ω)
7、=1-(4)界關(guān)注的焦點。本文從左手材料實現(xiàn)方式、研究現(xiàn)狀22ω-ω0+ωiΓ與進展、熱點問題、缺陷效應、實現(xiàn)負折射的途徑、應用其中ω0為諧振頻率,取決于材料的幾何結(jié)構(gòu)參與展望等多方面對該領(lǐng)域進行了綜述。數(shù),Γ為結(jié)構(gòu)的損耗參數(shù)。由上式可見,當ω0<ω<ωp時,該結(jié)構(gòu)中不存在傳播模,在此頻率段內(nèi)出現(xiàn)禁帶,3基金項目:國家杰出青年基金資助項目(50025207);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2004CB719805)收到初稿日期:2005207214收到修改稿日期:2005209213通訊作者
8、:趙曉鵬作者簡介:劉亞紅(1981-),女,陜西西安人,在讀碩士,從事智能材料的研究。340功能材料2006年第3期(37)卷22即其介電常數(shù)為負。其中ω0為SRRs的諧振頻率,F=πr/a確定了負磁導率的頻帶寬度,?！?2lρ/(rμ0)為損耗參數(shù),a為結(jié)構(gòu)單元尺寸,ρ為沿SRRs周長方向單位長度的電阻。由上式可見,當ω0<ω<ωb時,μ<0,其中ωb=ω0/1-F。電磁波不能在該波段傳播,即出現(xiàn)
