左手材料制備的研究進(jìn)展

《左手材料制備的研究進(jìn)展》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、http://www.paper.edu.cn左手材料制備的研究進(jìn)展112王曉燕,李國鋒張慶猛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年里沒有得到大的發(fā)展直到2001年,美國加州大學(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)線和開口諧振環(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[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)的載流子來形成電子空穴等離子體2存在相互作用的自旋體系來產(chǎn)生大的磁導(dǎo)率2.2基于周期性排布的細(xì)銅線和開口諧振環(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年里沒有得到大的發(fā)展直到1999年英國皇家學(xué)院的[3]J.B.Pendry提出細(xì)金屬線陣列結(jié)構(gòu)具有類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光或者近紫外波段在金屬線陣列p中自由電子受到限制只能沿著金屬線運(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又提出利用開口諧振環(huán)簡稱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)與頻率無關(guān)基于以上兩種結(jié)構(gòu)美國加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)銅線和開口諧振環(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metamaterial)如圖1所示并首次通過棱鏡實(shí)驗(yàn)觀察到了微波通過這種人工媒質(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