左手材料的原理性探究

1、左手材料的原理性探究这个不是论文,只能算是一个摘要.也许更像是讲述一个学科发展的电影的观后感。虽然很努力的凑字数了，倒还是没到5000之前还试图打了一份英文版的,但是发觉实在是没有一点自己的东西,全是拷贝粘贴的,自己想写英文却又发觉不顺溜,实在是没有办法,最终就只有老老实实地用中文手打一份四不像的东西.由于制作文档方面是个生手，加上我没有宣称这些东西之中有任何我自己的成果，就不管引用注释之类的麻烦事了。一点历史回顾:1967年俄罗斯人Veslago最先构想出了一种当时还不存在的同时具有负的介电常数以及负的磁导率的物质,在论文中证明了这种材料假如真的存在,会具有很多其妙的特性.之后的几十年间材料

2、学迅速的发展,负的介电常数,负的磁导率逐步的被科学家们在较低频实现,微波波段乃至可见光波段的左手材料的可能性开始被人们讨论。后来人们也逐步的讨论了很多左手材料的应用,提出了左手材料可以制造超级透镜,隐身衣。2003年普渡大学Smith带领小组制造出了首例微波波段的左手材料2005光学波段的左手材料在多个大学几乎同时实现。.这个领域正在迅速的发展壮大之中。微波波段的实现:在较高频率的波段实现负的折射率的关键在于解决负的磁导率的困难.由于物质与电场的耦合强度要远远强于物质与磁场的耦合强度(这块的推导一直不是很清楚貌似是使用元电荷与玻尔磁矩之间的关系证明电场的耦合强度,物质与磁场的耦合强度之间的倍数

3、关系是精细结构常数的平方,但是我却连耦合强度是怎么定义的都不知道)B=e2mec=ea02=1137,所以物质在与电磁波相互作用的时候总是以电相互作用为主.用shalev的话说就是原本光是有两只手的,但是她总是只用一只.我们通过构造这种在较高频率的磁活性结构的意义就在于让光用上平时藏在袖子里的那只手。另一方面,在金属光学的领域发现其实负的介电常数是相对好实现的,在高频率的波段电磁波可以激发金属的表面等离子基元(没学过固体物理，不懂),在谐振效果下可以实现负的有效介电常数。在微波波段实现负磁导率的一种最有效的结构是开环谐振器(split ring resonator)其结构图如下可以粗略的将这种

4、结构的效果理解为一个LC振荡电路,而这个等效的电容和电感主要取决于谐振器的形状大小材质的参数.在这种粗略的近似之后可以得到一个等效磁偶极矩的近似公式(但是已经足以表明这种结构的物理性质了):mH=2r40H(022-1)LH为外场的强度, 0为等效电路的谐振频率, 为外场的角频率, 0为真空中的磁导率L,r都是结构的参数.由于这种材料是高度的各向异性的结构,只有理解为每一格有一个平均的有效磁导率：eff=1+mHVH可以看出在合适的条件下可以实现负的有效磁导率.mH=2r40H(022-1)L在微波波段的负折射率就这样实现了,这种结构的特点是效能特别高，所以如今在微波波段的隐身材料制作还是以这

5、种结构为主导。但是很不幸,试图将这种结构小型化来提高工作频率的努力会失败,有两方面的阻碍,一是缩小尺度在材料加工技术上将会造成很大的困难,二是金属性质在达到纳米尺度之后会有很大的变化，之前的推导之中隐含了电子数密度近似无穷大,在尺寸缩小到纳米尺度之后这一假定不再适合。左手材料的原理实际上是构造各向异性的微结构使得材料的各向异性压倒电磁波的各向异性，但是尺寸的缩小使得金属内部的各向异性和不均匀性显露出来。所以我们只有选择新的结构来实现.光学波段的实现:依据金属光学的性质,利用贵金属在高频段的等离子体振子基元可以实现负的介电常数,困难还是在于实现磁场的谐振。研究者发现在高频段实现磁场和电场的同时谐

6、振是非常困难的,所以选择了另一种策略:使磁场在某一波段谐振而使电场在同一频率下保持一个负的”背景”介电常数,一般来说要使特制的磁结构的谐振频率高于金属表面等离子基元的谐振谐振频率,就可以在磁结构的谐振频率同时实现负的磁导率和负的介电常数.Podolskiy VA, Sarychev AK, Shalaev VM等人在2002年提出了这种渔网状的结构:每一个金属条带状的结构都是多层金属-电介质-金属的夹层。这种网状结构的小孔是由精密的方法蚀刻出来的,现在可以做到直径100nm以下.由于蚀刻的工艺使得条带状的结构截面呈梯形,具体来说的谐振机制挺复杂,只有在这里大体的叙述一下在每个孔的周围的条带都形

7、成了这种梯形的截面，而梯形截面内部在外场的作用下会形成非对称的电流，而这个非对电流为什么会形成一个电流环，我至今还是不懂，貌似并不只是电磁感应就可以解释得了的，但是还是记下来吧，那本导论里面对这个问题是一带而过，具体去找最初提出的论文的时候用了一堆很高深的固体物理理论，所以我就没看懂，但是大致知道是那么回事，如下如所示：颜色显示的的是磁场，箭头代表电场。左图是未谐振的状态，右图是谐振的状态。这个确实是很抱歉，没有最终打穿这个东西。之后偏向于应用（完美成像）:我主要来讲左手材料实现超级透镜。再近场光学领域,其实已经有一种很强大的观测工具,那就是近场光学显微镜,它与左手材料制成的超级透镜的基本原理

8、都是捕捉隐失波所带走的高频信息.隐失波带走了几乎所有的尺寸低于光线波长的信息,近场光学显微镜使用探针获取样品表面的隐失波,确实能够实现很高的精度,但是有一个重大的缺点,就是在使用过程之中必须向扫描隧道显微镜那样以数纳米的步长来回移动探针,这就意味着最终所获取的图像其实不是一个时刻的.这对于观察某一个微观过程就不够了.而这种完美成像的透镜解决了这一难题.这种透镜与常见的透镜不同之处在于它没有曲率,不能汇聚平行光,它只适用于近场条件,针对的就是样品上每一个点发出的球面波.在演讲的时候推导过了现在再推一遍:由于考虑到读者的水平，详细的叙述会显得很多余，我就不详细的翻出全部的公式了。先是，由傅里叶光学

9、的知识导出在余弦光栅的空间频率大于入射光波的波数的时候，加上强制的边界条件的限制会导致出现虚的波矢，这就是衍射场的超精细结构会导致隐失波的原因。隐失波会随着空间的平移迅速的指数衰减，大概五个波长的距离就会衰减到百分之一以下，在使用普通的透镜的时候就会衰减的一点都不剩。所以使用再大的透镜也是收集不到隐失波的信息的。而使用左手材料的透镜能够从根本上解决这个问题。如下图所示:这个是由在2000年提出的,折射率为-1的左手材料,将入射光线的波矢变为负值，可以放大隐失波分量,重要的是经过了左手材料的指数放大再在透镜和像之间衰减在像点处的隐失波在相位,振幅上都会与源点处的完全一致。于是这就实现了完美的成像

10、。理论上说这种透镜的分辨率仅仅受限于电子元件的信号处理.大概可以达到10nm的量级，。但是就我个人观察：这还是有一定的缺陷,近场的限制也就是样品几乎得放在透镜上面才能够工作，而成像的位置与透镜的距离与物距一样近。这个在制作上还是有较大的困难、这种透镜的最大限制在于,对于不同颜色的光,它不能保证折射率都统一为-1,也就是说还是会出现色散,而且对于不同颜色的光的成像位置和放大倍数都不同。还有就是左手材料本身的各向异性使得不同方向入射的光线的折射率略有差别所以还是有一些实际的限制（事实上，如果光线的磁场分量与微孔垂直，就会导致无效，三维的左手材料只在某一个方向上看才是真正的左手材料），当然,这也是没

11、有办法的,我想这大概也就是光学成像的极限了(双光子什么的更高端的手段没考虑过)展望:引用的话说就是:电磁波在某种角度来看很像水,但是人类对电磁波的操作其实还处在很初级的阶段，远远不如操控水那样自如。设想一下有一天我们把各种频段的电磁波装在容器里,把它冻起来,把它倒出来,把它们做成各种形状让它按照我们希望的方式流过某一区域。我想这就是光学,光学材料的未来,而左手材料将会是其中的重要组成部分.后记:做这个“科研”大致只耗费了我60个小时左右的时间，所以它就算不上正经科研，至于可怜的收获就在这里总结一下：最初开始的时候选择这个课题的时候的动因是想要弄明白波场建立的过程：“波的传播方向与能流方向相反，

12、那么最初是怎么建立波场的？”翻了很多书之后才发觉这个问题实际上是一个伪命题，左手材料的结构决定了其中并没有我们一般所理解的连续的波场，所有的传播过程是一个吸收-谐振-释放的单元结构之间的传递过程。而这个波场的建立过程在几乎所有文献中都没有提及因为确实不重要。而且确实很麻烦。一个学生问了一个挺奇怪但是却没有价值的问题。翻了一些书知道了一些之前不感兴趣的知识，却发觉自己最初的感兴趣的问题根本就不是问题。补充一下：这个领域之中貌似中国人挺多。而且时间越往后越多，大概是隐身材料那块，军工的价值较高，上头的支持较为充足。唉，之后的内容为凑字数的感想，可以掠过：本人其实一直是很想搞理论的，一直以为除了那些

13、很漂亮优雅的公式定理以外的东西都不是物理，一直觉得不能在纸上算出来的都是“匠气”，没有解析解就难受。以前，刚到物理学院的时候，有一个很牛的学长对我们说：“所谓的物理就是像是玩玩具，所有的理想状态比如无限深势阱，刚体，质点都是我们大脑的玩具，如果你们确实觉得一辈子把人当质点，把关节当铰链也挺开心的话，就走下去吧。”学了一年多物理之后，对这些的感觉更加深刻了。海德格尔说过：“当你把教材，笔记烧掉，把应考总结忘掉，把做的习题扔掉之后剩下的才是你学到的东西。”以此为标准我的力学只学到了牛顿三定律，电磁学只学到了麦克斯韦方程组，以此为标准我的数理方法大概是什么都没有学到。那我的光学学到了什么？不太清楚，

14、如果将来不搞光学的话，可能很多年过去之后，只剩下惠更斯原理，复振幅之类的。但是有一些事还是不会忘的：比如期中考砸了，比如搞过这么一个无头无尾的“调研”。我在这个过程中看见了自己的傲慢，以及它的后果。愚蠢并不是生存的障碍，傲慢才是。虽然在在学分上有差别，在考试的要求上有区别，但是知识在最初学的时候都是平等的，在未来用的时候也是平等的，你不知道将来会不会靠某些你现在不感兴趣的东西混饭吃。物理的核心并不是让你看见每一道题都会做，而在遇见不会的问题的时候知道该到哪找到答案。如果烧掉我的书和笔记，扔掉我的习题，我还敢说自己是学物理的吗？不好说，但是如果有一天，我真的学会了像一个物理学家一样思考，像物理学

15、家一样，我想，我会理直气壮地给予肯定回答。Reference List:1.Wenshan Cai and Shalaev”Opptical Metamaterials” 2. V. G. VESELAGO “ THE ELECTRODYNAMICSOF SUBSTANCESWITH SIMULTANEOUSLYNEGATIVE VALUES OF e AND mu”left handed materials can makePhysical Review Letters4. Costas M. Soukoulis,* Maria Kafesaki, and Eleftherios N. Economou,”Negative-Index Materials: New Frontiers in Optics”,Advanced materials5.Shalaev, “Optical negative-index metamaterials”,nature-Photonics6.Shalby, “Microwave transmission through a two-dimens