左手材料 双负材料 科普知识 ppt

双负材料2013.10定义发展历史性质制备与实现用电磁感应定律推导负磁导率应用前景双负材料：

介电常数ε和磁导率µ同时为负值的材料称为双负材料。

通常的材料，其中的电场、磁场和电磁波传播常数三者之间呈右手螺旋关系。而在双负材料介质中，三者之间构成左手螺旋关系，故又称为左手材料。

大约在40年前，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（VictorVeselago）设想了一种能够颠覆光学世界的物质：它能使光波看起来如同倒流一样；而且在许多方面表现得有违常理，具有不可思议的特性。问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射率。到当时为止所有已知的物质都拥有正折射率。那么是否有负折射率的材料呢？多年苦寻，没能找到满足的材料，其猜想也被淡忘。

双负材料的实现关键是介电常数和磁导率同时小于零，即系统中必须存在两个独立的谐振(电谐振和磁谐振)，且谐振的频段要有重叠部分，实现起来比较困难。

1996年Pendry从理论上研究了金属线(wires)阵列的电磁性质，发现周期性排列的金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为相似，可实现负ε；ε（ω）=1-ω2p/ω2

其中，ωp

是等离子震荡的本征频率，

当ωp>ω时，可以使介电常数为负值。

当ω0<ω<ωb时

，µ<0。

1996年，Pendry在理论上用金属线周期结构实现了介电常数的负值。

1999年，Pendry又用开口谐振环实现了磁导率的负值。介电常数和磁导率实现了分离的负数。介电常数和磁导率同时为负的可能性？这也揭开了双负材料的序幕。

2001年，加州大学SanDiego分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材料的存在。Smith等采用电路板刻蚀技术在GIO纤维玻璃板正反面制作了铜SRRs和铜线，并周期性排列成结构，首次获得微波段左手材料。他们还设计了劈尖状左手材料样品，并测量了其微波折射行为。实验结果显示，常规材料的峰值发生在27。而左手材料的峰值发生在大约-61。这样首次在实验中观察到了负折射现象。2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。

在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。2003年美国ParazzoliCG等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据和模拟计算非常吻合，都晰而显着地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在。双负材料的性质？电磁性质：左手材料是一种相速度和群速度方向相反的物质；同时，左手介质必然是色散介质。对于平面单色波，Maxwell方程可以化成如下简单形式

在右手介质（ε>0，μ>0）中，由（1）（2）两式知，E、H、k三者构成右手关系；在左手介质中，因为ε<0，μ<0，E、H、k成左手关系。而（3）式不含ε和μ，因此不论是在左手介质还是在右手介质中，E、H、S三者都是右手关系。在右手介质中，S方向和K方向相同，而在左手介质中两者相反。K代表位相传播方向，S代表能流传播方向即群速度方向。负折射现象

当波通过两介质之间的界面时,如图所示。一边的磁导率μ1和电导率ε1均大于0,另一边的磁导率μ2和电导率ε2均小于

0。设对2种媒介使用Maxwell方程都将被满足,则有边界条件:

可见,E和H沿法线分量En2

和Hn2

的正负号,在ε2/ε1<0，μ2/μ1<0时将和ε2/ε1>0，

μ2/μ1>0时符号的相对,那么,和ε2/ε1>0，μ2/μ1>0的情况相对，在左手材料中折射光线将关于z轴对称传播。逆多普勒效应

在右手材料中，当波源和观察者之间的距离增加时，比如反射面相对于波源后退时，观察到的反射波的频率会减小，这就是多普勒效应。

但在左手材料内，电磁波的相速度和群速度方向相反，即能量的传播方向和相位传播方向相反，所以在左手材料中的频移情况正好和右手材料相反，观察者接受到的反射波的频率会增加，这种现象为逆多普勒效应。完美成像

根据瑞利准则，一种频率的电磁波通常只能用来分辩尺寸不小于大约其半个波长的物体，电磁波的波长决定成像的质量和清晰程度，所以波长越短，电磁波能分辩的物体尺寸就越小，清晰度就越高。传统透镜无法达到更好的分辩率，是因为电磁波同时具有凋落波和传播波分量，而凋落波在达到像点前大部分已经衰落。如果能够使凋落波分量在达到像点前放大，就可以恢复出凋落波对成像的贡献，而左手材料就可以做的这一点，近场可以在左手材料的表面激励起高频谐振，使己经衰落的凋落波在左手材料中被放大，那么使得凋落波在媒质内被放大的程度和在相当厚度的外部媒质中的衰落程度抵消，于是就可以在像点处完美成像。反常切伦柯夫辐射

当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度超过介质中光速时，这些次波和原来粒子的电磁场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相面是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角，即能量辐射的方向和粒子运动方向夹角θ。θ由式子cosθ=c/nv确定，其中v是粒子运动的速度。而在负群速度介质中,能量的传播方向和相速相反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出,辐射方向形成一个向前的锥角。

反

Goos-Hanchen位移

光波从光密媒质入射到光疏媒质，当入射角为：将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面上将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移，该位移由Goos和

Hanchen首次发现，因此命名为

Goos-Hanchen位移。

如果介质2为左手材料，|n2|<n1时也会发生全反射，此时的反射光束同样在界面上发生侧向位移，但是位移的方向和入射波波矢量的平行分量反向，这主要是因为左手材料的负相速的缘故，该现象被称为反

Goos-Hanchen位移。左手材料的人工实现

微波段双负材料的实现金属谐振结构左手材料的实现

目前，对于左手材料人工等效实现的研究，主要集中在以金属谐振结构为基础的人工等效实现研究，通过SRRs周期结构形式的改进及研究，完成左手材料的人工等效实现。

2000年美国加州大学SanDiego分校的科学家D.R.Smith等采用电路板刻蚀技术制备了铜SRRs和铜线并周期性排列成结构材料，并测量了其微波透射曲线。大于共振频率ωm的范围内体系出现负的磁导率。

传输线结构左手材料的实现

传统的传输线由周期性排列的电子元器件组成,包括串联的电感和并联的电容,电磁波在其中传播的色散关系和正折射材料相同。如果将电容和电感互换,即电感并联、电容串联,电磁波在其中传播的色散关系就和负折射材料类似。

下图给出了传输线实现左料的基本原理：

基于这一理论研究,2002年,美国加州大学Itoh教授给出了左手传输线单元结构,采用串联的交指电容等效左手输线中的串联电容,同时通过一个长的接地枝节来等效实现左手传输线中的并联电感。几乎同时候加拿大多伦多大学Eleftheriades教授也提出左手传输线实现共面波导结构,并证明了电磁波沿传输线方向传播具有后向辐射特性。

右图为开口谐振环结构，它是在电介质材料中周期性放置的带有缺口的金属环。

将其看成理想模型：表面上分别定义理想电壁对、理想磁壁对和波端口。

入射电磁波的磁场垂直穿过金属环，电场穿过金属环的缺口，入射电磁波的波长远大于单元结构的尺度，并将单元结构视为均匀介质。

主要考虑电磁场与金属环的相互作用而引起的相对磁导率的变化情况，忽略基质材料的影响。

根据法拉第电磁感应定律，当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，回路将产生感应电动势，感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比，即

回路中有感应电动势，就可产生感应电流，所以它可等效为一磁矩

S为闭合回路的面积，

i为回路中感应电流的大小，

n表示面积的法线方向的单位矢量，法线方向与电流流向成右手螺旋关系。

在由SRR单元结构组成的周期性阵列中，若每个SRR单元结构占据的体积为V，则有磁化强度

下面我们推导图中所示的SRR单元结构中磁化强度M与外加磁场强度H之间的关系．设入射电磁波的磁场强度为

它垂直穿过图中的SRR结构。

根据法拉第电磁感应定律，单元结构的开口金属环中产生的感应电动势为

在高频电磁场的作用下，开口金属环的等效阻抗为式中：

L：为金属环的电感，

C：

为缺口处引入的电容，

R：为金属的电阻，

它们的确定值都可参照文献进行数值求解，本文只作定性的讨论。

由式(9)和式(12)可知开口金属环中的感应电流为

由式(6)、式(7)、式(13)得到开口金属环组成的单元结构的磁化强度：

右式中，当入射电磁波的频率ω高于谐振频率ω0时，开口金属环组成的单元结构的磁化强度M与入射电磁波的磁场强度H方向相反，但并不一定为负磁导率。只有在ω＞ω0且在ω0的附近时，才能保证磁极化率χm足够小，使磁导率μ=χm+1＜0，产生负磁导率。

图2为用高频电磁仿真软件计算得到的图1中SRR单元结构的相对等效磁导率，与理论分析完全一致。红外及可见光波段左手材料

光频段负介电常数和负磁导率的实现是光频段LHMs（lefthandmaterials）实现的前提。

其中，负介电常数的实现相对比较容易，因任何一种金属当电磁波的频率低于其等离子体谐振频率时，介电常数均为负。

而光频段负磁导率的获得就很困难。自然界中大多数磁性物质的磁导率均大于零，且磁响应具有高频截止特性，如铁磁物质在可见光和红外频段将失去磁性，所以获得THz或更高频段的磁响应无论对THz光学还是应用都有非常重大的意义。

通常金属的等离子频率在可见光到紫外光波段，而周期性排列的金属线阵列能够调整材料的电子密度，降低其等离子体频率ωp，其有效等离子体频率可由公式：

r为金属线半径；a为晶格常数；

co为真空中光速。

因此，调整阵列的晶格常数和金属杆半径可实现红外、THz波段的负介电响应。

Zhang课题组实现了红外和THz波段的负介电响应。

负磁导率问题：

采用微结构单元替代磁性材料中的原子和分子可实现高频磁响应。Pendry理论研究表明当单元尺寸SRRs按比例缩小时，其磁响应可扩展到红外波段而不能扩展到可见光波段。

SRRs可以看作由电感和电容组成LC电路，当SRRs减小到一定尺寸时，其电感L和电容C不再继续减小，谐振频率趋近于某一定值。即采用金属微结构理论上不能实现可见光波段磁响应。另外，损耗也是限制可见光波段磁响应的原因。当结构单元尺寸与趋肤深度可比较时，其电阻损耗和趋肤深度问题变得更为突出。

2004年T．J．Yen等采用光刻蚀技术加工制备了结构单元为30µm左右的铜SRRs阵列，使负磁导率效应首次达到了红外波段。双负材料的应用前景：制作高分辨率的显微镜镜片。

传统的光学镜头不能将光线聚焦到小于光线波长的尺寸。

左手材料制作的“超级透镜”：

一方面，可实现平板聚焦，无需制成曲面；

另一方面，可将光线聚焦到光线波长以下，甚至可以检测单个物质分子；

还能放大消逝波，将二维像点的所有傅立叶分量全部聚焦，实现“理想成像”；

2004年2月，俄罗斯莫斯科理论和应用电磁学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辩率的镜片。

同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片。

两国科学家的