负折射率材料的研究进展

负折射率材料的研究进展

负折射材料在固体物理中的应用负折射材料（nims，nimati）是指以电阻器和磁导率为负值的材料。它具有负群速度、负折射效应、反相互作用效应、反射效应、反演率序列、理想图像等异常的物理性质。负折射率材料的这些异常特性,使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐,世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。到目前为止,负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实,并已经开始进行应用领域的研究与探索。1负折射材料的发展1.1微波负折射材料研究历程在经典电动力学理论中,介电常数和磁导率是描述均匀介质中械绱懦性质的最基本的两个物理量。在自然界中,对于电介质而言,介电常数和磁导率都为正值,电矢量E、磁矢量S和波矢量K三者构成右手螺旋关系,这样的物质被称为右手材料(RHMs,Right-handedmaterials)。这种右手规则一直被认为是物质世界的常规,但这一常规在20世纪60年代却遭遇颠覆性挑战,1968年,前苏联物理学家Veselago发表了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现,即当介电常数和磁导率都为负值时,电场矢量、磁场矢量和波矢量之间构成左手关系,并称这种假想的物质为左手材料(LHMs,Left-handedmaterials)。但由于一直未被证实,其后30多年,负折射率材料的研究基本处于停滞状态。直到1996年~1999年,英国帝国学院的Pendry等人相继提出用周期性排列的金属条和开口金属谐振环(SRR,Split-ringresonator)可以在微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。2001年,美国加州大学圣地亚哥分校的DavidSmith等物理学家根据Pendry等人的建议,利用以铜为主的复合材料首次在微波段制造出一维的负折射率材料,如图1所示。并采用一束微波射入这种人工介质,微波发生负角度偏转,证明了负折射率材料的存在。美国Shelby等人制备出了二维负折射率材料,并进行了折射实验和表面等离子极化波实验,证实了当电磁波斜入射到负折射率材料与普通材料的分界面时,折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。2002年7月,瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的负折射率材料。2003年是负折射率材料研究获得多项突破的一年,美国西雅图BoeingPhantomWorks的C.Parazzoli与加拿大多伦多大学电机系的G.Eleoheriades领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射现象;爱荷华州大学的S.Foteinopoulou发表了利用光子晶体作为介质的负折射率材料理论仿真结果;美国马萨诸塞州理工学院的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》杂志发表文章,描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果;Parazzoli等人则在实验和数值模拟上进一步验证了负折射现象。基于科学家们的多项发现,负折射率材料的研制进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球“十大科学进展”,引起全球瞩目。2004年,Pendry等人在《科学》杂志上公布了关于谐振环磁响应在THz频率范围的相关研究工作,使负磁导率首次在红外波段实现。最近几年,对负折射率材料的研究主要集中在可见光波段,Pafimi等利用光子晶体等研究了金属结构在光学波段实现负折射的可能性。2007年,美国加州技术研究所的HenriJkezec设计完成了一种金属-绝缘体-金属(Au-Si3N4-Ag、Ag-Si3N4-Ag)的特别波导结构,验证了该设计方式在二维空间中的各向同性材料中会得到负折射现象,实现光谱为蓝绿(514nm)光谱区域,突破了负折射率材料在可见光波段的实现。DollingG等采用基本薄膜构成为Ag-MgF2-Ag型,用电子束蚀刻法形成网状结构实现了可见光780nm的负折射。1.2负折射材料在正行膜加工中的应用研究负折射率材料的异常特性同样引起了我国科学界的关注,同济大学波耳固体物理研究所陈鸿教授领导的研究小组从2001年开始对负折射率材料展开研究,在基础理论和材料的制备与表征方面取得了重大进展。2002年,中科院电子所的李芳等人进行了微波段等效介电常数和等效磁导率的实验,用周期性排列的金属丝和金属裂环谐振器模型设计制作出一维人造介质,并进行了验证实验。复旦大学的资剑教授领导的研究小组利用水的表面波散射成功实现了负折射率介质超平面成像实验,论文发表于《美国物理评论》杂志上,引起了学术界的高度关注,被推荐为2004年《自然》杂志焦点新闻之一。南京大学的卢明辉等在利用电磁复合结构实现负折射率介质以及二维声子晶体的负折射研究领域取得重要研究成果。浙江大学的何赛灵等在光子晶体和手性介质实现负折射及平板成像方面开展了研究工作。北京师范大学张向东课题组和中科院物理所张道中课题组进行了光子晶体的负折射和亚波长成像方面的研究,2005年发现十二重对称的电介质准晶光子结构也会出现负折射效应,而且在某些性能上优越于光子晶体负折射介质。2006年,东南大学毫米波实验室的崔铁军教授领导的研究小组提出一种能使磁导率为负的双螺旋共振结构,并指出通过将开口谐振器和螺旋结合在一起可以降低共振频率。西北工业大学的赵晓鹏等制备了六边形的导电开口谐振环,并研究了负折射率材料的缺陷效应,发现了负折射率材料中的禁带现象,采用双模板辅助化学电沉积法制备金属银树枝状结构阵列,成功制备出大面积(m2级)的红外波段负折射率材料,并开展了负折射率材料的应用研究工作,特别是天线的应用研究,取得了很大进展。西安交通大学的屈绍波等采用一种“巨”字形结构,利用丝网印刷技术在氧化铝基板上进行加工制作,在同一结构中同时实现负介电常数和负磁导率,并通过仿真和实验测试证实了这种结构的“双负”特性。2负折射材料的异常物理特性2.1右手定则的构成在普通介质中波矢量方向和电磁波的相位传播矢量方向总是相同的,即相速和群速方向一致,波矢量、磁矢量、电矢量始终构成右手定则。但在负折射率介质中,波矢量和群速方向却正好相反。2.2入射光线0时负折射是负折射率材料表现出来的最大特性,也是当今对负折射率材料应用研究的一个主要方向。自然界中,当入射光线穿过两种介质界面时会发生反射和折射现象,这种现象称为“正折射”,如图2所示。若介质1为普通材料,而介质2为负折射率材料时,入射光线1和折射光线3位于界面法线同侧,且折射光线的能流S方向与波矢量K方向相反,被称为“负折射”。负折射率材料的主要特点是改变了光的传播方向。2.3频移情况呈逆多普勒传播方向在负折射率介质中,由于相速度和群速度方向相反,即能量传播的方向和相位传播的方向相反,频移情况呈逆多普勒效应。如图3所示,在普通介质中探测器靠近光源时(发射角频率为ω0的电磁波),探测到的频率会高于ω0,反之将低于ω0,而在负折射率介质中情况正好相反。2.4路径上形成多次波在真空中匀速运动的带电粒子不产生辐射电磁波,而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,从而在其路径上形成一系列次波源发出次波。当粒子速度超过介质中光速时,这些次波互相干涉,从而辐射出电磁波,称为Cerenkov辐射。普通介质中,干涉后形成的波前是一个锥面,电磁波能量沿锥面的法线方向向前辐射出去。而在负折射率介质中,能量的传播方向与相速相反,辐射将背向粒子的运动方向发出,形成逆Cerenkov辐射,如图4所示。3负折射材料的军事应用3.1负治疗微带天线的应用研究随着负折射率材料基础研究的逐渐成熟,人们开始将负折射率材料的研究提升到应用层面。国外对负折射率材料在军用天线技术领域的应用进行了大量研究探索,理论研究和实验结果表明,负折射率材料在研制新型军事雷达、通信系统天线等方面具有广泛应用前景,对减小雷达尺寸、改善天线指向性、提高增益等性能具有重要军事应用价值。将负折射率材料应用于天线覆层,将能极大地提高天线性能。现代化战争使空间通信与微波武器等领域要求天线不仅要具有高定向性、高增益,还必须重量轻、体积小,普通材料很难两全,负折射率材料却能很好地满足这些需求。选用负折射率材料应用于天线覆层,负折射特性将使穿过其中的电磁波受其散射特性的束缚,只能够在垂直方向附近的小角度内传播,其他方向的传播将被限制,实现对天线辐射电磁波波束的汇聚,减小天线的半波瓣宽度,提高天线的方向性。美国SensorMetrix公司和雷声公司分别进行的研究也证实,采用负折射率材料研制的导弹天线罩,不改变天线罩整体外形,可以有效消除导弹瞄准误差,大幅提高导弹命中精度。将负折射率材料应用于微带天线可有效抑制天线边沿辐射,减少天线阵元间的干扰。微带天线作为小型化、集成化天线主角,以其三维结构的灵活性受到了各种不同军事设计目标的全方位开发,并在雷达、导弹遥感技术、引信、通信卫星等许多领域得到应用,但微带天线介质基板中激励起的表面波限制了它的性能。图5为天线辐射示意图。如图5(a)所示,微带天线通过贴片的谐振同时向空间和介质基板辐射电磁波,入射到基板中的电磁波,将被基板底部的金属地板反射,重新辐射到空气中,或在介质基板与空气接触面成Z字形不断发生全反射到达基板边沿,一部分电磁波被反射,另一部分发生边沿散射,这些电磁波的存在将导致天线方向性和工作效率降低,天线增益减小,还会引起天线阵阵元间的相互干扰,形成寄生辐射。利用负折射率材料与正常材料复合作为天线基板,基板中激励起的表面波在两种材料的分界面发生负折射,折射波被金属接地板反射后在分界面处再次发生负折射,使表面波在天线基板中的传播形成闭合路径,如图5(b)所示。Burokur等人研究了负折射率材料对微带贴片天线性能的影响,他们设计了一种圆形辐射贴片微带天线,采用同轴线馈电,选用位于负折射率特性区域中的某一频率作为微带贴片天线工作的中心频率,将一定体积的负折射率材料覆层置于天线前方,发现负折射率材料覆层的引入可使天线的聚焦性和方向性更好,增益提高了2.8dB,改善了天线的性能;若选用损耗小的负折射率材料且保证良好的波阻抗匹配,天线的增益可达到12dB。另外利用负折射率材料的相位补偿效应,可突破传统微带天线的半波长电尺寸的束缚,使得小型化设计成为可能。微波段负折射率材料还可广泛应用于微波器件,例如,利用负折射率材料中能量与相位传播方向相反的特性,EnghetaN提出利用负折射率材料可以实现对普通材料进行相位补偿,从而构成一种新型的谐振腔。这种谐振腔的谐振频率跟其厚度无关,而只决定于两种材料厚度的比例。因此这种谐振腔的厚度可以做得非常薄。利用这一原理制造出新型微带谐振器,其尺寸远小于传统的半波长微带谐振器。利用基于左手传输线的新型谐振器,可以构成具有谐波抑制功能、且结构紧凑的新型滤波器。另外,还可以用于前向波方向耦合器、宽带相移器、分布式放大器等。利用逆多普勒效应则可应用于制备体积小、成本低、频段宽的高频电磁脉冲发生装置等。3.2负折射特性的“隐私”传播随着电子技术的飞速发展,未来战场的各种武器系统面临着严峻的威胁,隐身技术作为提高武器系统生存能力的有效手段,受到世界各国的高度重视,一直是各国科学家致力于研究的一个重要方向。隐身技术是通过控制武器系统或作战平台的信号特征,使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。目前各国的隐身技术,主要是利用各种吸波、透波材料实现对雷达的隐形;采用红外遮挡与衰减装置、涂敷材料等降低红外辐射强度,实现对红外探测器的隐身;在可见光隐形上,只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初级的方法。负折射率材料在其特性频带范围内对电磁波有较高的传输,即实现电磁波从原来的禁带到导带的转变,可以有效地降低特定频带范围的电磁波反射。利用负折射率材料制造的武器系统或作战平台可以将光线或雷达波反向散射出去,使得从正面接收不到反射的光线或电磁波,从而在技术上实现武器系统或作战平台真正意义上的隐身。图6所示为美国杜克大学电子与计算机工程系D.R.Smith教授等人和英国帝国学院物理系J.B.Pendry教授等人合作,基于人工电磁材料在微波频段设计的一个二维电磁波传播路径图,圆环内的部分代表负折射率材料,实线代表波的传播,可以看出,电磁波在材料内部发生了弯曲,从整个大圆压缩到圆环内,在中间形成一个没有波传播的“空洞”。人之所以能看见物体,是因为该物体阻挡了光线,并将其反射至人眼;雷达则是利用发射电磁波遇到物体反射回来,形成一个可以探测到的影子。而电磁波或光波对于负折射率材料覆盖的空间既没有波的折射,也没有散射,而是绕过“空洞”传播,如果将物体放在洞中,因为没有波触及物体,也就没有携带关于物体信息的波被反射回来,因此人或雷达等也就不可能发现物体,从而使物体产生了视觉隐身。2006年,Schurig展示了一种利用负折射率特性的“隐身斗篷”的雏形。“隐身斗篷”的基本原理是:通过在物体表面包覆一层负折射率材料,这样入射光或电磁波将被弯曲,并且绕过包覆层,从而出现隐形的结果。“隐身斗篷”内的物体就好像在空间中挖开了一个洞,任何光和电磁波将直接穿透这个洞,从而不会看到斗篷中隐藏的物体。“隐身斗篷”将不仅仅被应用于“隐身”,凭借它的帮助,任何电磁信号都可以更为有效地绕开干扰和阻隔,从而保持信号的完整性。因此,“隐身斗篷”在抗电磁干扰器件中也将有广阔的应用前景。从近年来负折射率材料在军事领域的应用研究进展情况看,未来负折射率材料在电磁隐身、可见光隐身和声隐身方面将具有广泛的应用前景,并有可能替代现有的各种隐身技术,广泛应用于航天器、军用飞机、海军舰艇、地面战车以及重要军事设施和士兵隐身等领域,导致一场军事隐身技术领域的革命,使目前的各种军用探测设备失去作用,在未来战场上给技术落后一方带来灾难性后果。3.3像重新会聚于透镜的结构显微镜、放大镜等光学器件的制造一直被一条光学规律所限制:无论光学仪器的镜片多么精良,任何小于光的一个波长长度的物质都是无法观察到的。利用负折射率材料制成的透镜却能克服这个问题,制作成“理想”透镜,它不仅和常规的介质一样能会聚行波,而且还能聚焦随距离增加快速衰减的衰减波。一般会聚透镜的工作原理是将透镜一侧的光源通过具有一定曲度的材料将光源的图像重新会聚于透镜的另一侧,根据Snell定律,一般透镜的解析度都受限于物体表面辐射源所散射出的消散波的损失,其值随着垂直表面的距离