超材料

1超材料的发展及国内外研究现状目前，国际上学者将由人工设计的、具有特异电磁性质的结构安排制备形成的材料统称为超材料(metamaterial)。近年来人们对这种超材料特别感兴趣，原因在于这种超材料结构的周期长度远小于电磁波波长，有利于器件的小型化和集成化，这是普通的光子晶体无法比拟的。超材料有单负材料(single-negativematerials：SNG)和双负材料(double．negativematerials：DNG)两种。把介电常数和磁导率均为负的材料称之为DNG，即左手材料(1eft．handedmaterials：LHMs)；把介电常数和磁导率仅有一者为负的材料称之为SNG。相应地将同时具有正介电常数和正磁导率的材料称为双正材料(doublepositivematerials：DPS)即右手材料(righthandedmaterials：RHMs)。左手材料的基本理论及国内外研究现状介电常数ε和磁导率μ是用于描述物质电磁性质的最基本的两个物理量，它们决定了电磁波在物质中的传播特性。对一般电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都是非负的常数。由Maxwell方程组可知，在ε和μ都为正值的物质中，入射电磁波的电场、磁场和波矢(相位传播方向)三者构成右手关系，这样的物质被称为RHMs。迄今为止在自然界见到的都是RHMs。然而，前苏联物理学家Veselago[1]在1968年提出，当ε和μ同时为负值时，Maxwell方程依然成立，电磁波仍然可以在这种“双负材料”中传播。由于在这种材料中电场强度、磁场强度与波矢之间构成左手关系，故Veselago称这种材料为左手材料(LHMs)同时也称双负材料(DNG)。LHMs有时也被称为负折射率材料(negativeinedexofrefractionmaterials：NIRmaterials)。由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数，折射率也是负的，电磁学理论与后来的实验结果都证实它有很多奇异的特性，比如负折2射效应、完美透镜效应[2]、逆切伦柯夫辐射效应、反多普勒效应[3]等。尽管LHMs有很多新奇的特性，但自然界中并不实际存在这种左手性物质，因此它的研究只是停留在理论上，并且在随后的30年里没有得到重视。直到上个世纪九十年代，受到光子晶体研究的启发，Pendry提出了分别实现负磁导率和负介电常数的理论模型，重新开启了该领域的研究。迄今，LHMs研究已在基本理论、负折射效应、完美透镜效应、metamaterial、左右手材料交替结构光子／声子晶体、LHMs应用等研究方向上取得了很多的进展[2-6]。也有人曾预言LHMs可用作吸波材料[7,8]。左手材料在国内的研究现状和进展左手材料的研究同样引起了我国有关人员的关注。复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与巧妙设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验，随即引起学术界的高度关注，被推荐作为《自然》杂志焦点新闻之一；此外华东师范大学、同济大学玻尔固体物理研究所、香港科技大学、中科院物理研究所、南京大学、北京大学、浙江大学、西北工业大学等单位均有研究人员涉足这一领域的研究。国家自然科学基金将哈尔滨T程大学硕十学何论文LHMs和负折射效应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和工程与材料学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”主题中将“LHMs相关基础性问题研究”列为主要探索内容之一；在数理部和信息科学部联合的“周期及非周期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微结构在太赫兹、近红外线及可见波段的负折射效应研究列为主要探索内容之一；同时基金委信息科学部将“左手介质理论与应用基础研究列入2005年重点项目指南之一。左手材料在国际上的研究现状和进展3随着国内外研究人员对左手材料进一步地分析与研究，使得许多研究者开始渐渐接受和承认这样一种具有反常特性的人造材料。此外，许多军工部门、公司和研究机构开始设立专门的研究项目来探索这种人造介质材料的结构、特性和应用。例如，联合国已经启动了射频左手材料的研究项目，项目中结合了Imperial大学Pendry的研究工作的Marcconi研究；美国一些军工企业也开始了这种材料的研究；波音公司主持了一个美国国防部高级研究计划局联盟来集中研究吉赫兹频段的负折射率；美国加利福尼亚大学的洛杉矶分校则主持了另一个美国国防高级研究计划局联盟：欧洲联盟也投资了一个协会来负责新兴技术项目，其中就包括左手材料。单负材料的及发展由于制备DNG比较困难，它需要材料的介电常数和磁导率在同一个频率范围内同时为负；而SNG只需要介电常数和磁导率其中之一在一个给定的频率范围为负。SNG可以分为两种，一种为电单负材料(ENG)，其介电常数为负而磁导率为正。另一种SNG是磁单负材料(MNG)，其磁导率为负而介电常数为正。SNG由于其介电常数和磁导率符号相反，故二者乘积为负。因此与二者乘积为正的DNG具有不同的传播特性。1999年，Pendry等人用导电元素提供的磁共振获得了微波频率范围内的人造MNG[9]。后来有许多工作致力于提供MNG[10-12]，并越来越引起学者们的高度重视。另外，一些科学家曾经试图使用由ENG与MNG构成的复合材料去实现DNG[13]。因此，SNG与DNG一起进入科学家的视野，许多工作开始对由两种SNG构成的复合材料的电磁性质进行研究[14-15]。2003年，Alu和Engheta等人开始研究ENG和MNG。他们将两种材料组合在一起构成双层结构进行研究，研4究发现在某种条件下，这种双层结构对电磁波是透明的，即电磁波可以隧穿。他们利用等效传输线方法分析了这种双层结构(材料无色散)共振隧穿需要的条件(波阻抗匹配和相位匹配)，并且分析了此双层共轭结构的共振隧穿现象[3q。因此SNG引起了人们更加广泛的重视。Alu和Engheta等人又在传输线模型基础上利用分布式电路元来分泛的重视。Alu和Engheta等人又在传输线模型基础上利用分布式电路元来分析此双层结构的特性，同样证明出共振隧穿效应，并与传输线的方法进行了对比分析。而后他们二人又进一步对这样的单负材料双层结构进行研究。提出ENG、MNG、DPS、DNG其中任意两个构成的平行平面波导结构的理论分析结果，探究出一些依赖于频率变化的不同寻常的特性。在这些特征中，他们重点研究了在有限的DPS．DNG和ENG．MNG薄板中TE和TM波的存在；在DPS．DNG薄板中传播波数大于两中材料中的任何一个的传播波数的波导模式存在等特征。这些特征可能会在今后的装置的设计中得到应用[17]。而后研究较多的是ENG．MNG结构在平均相位为零时产生的能隙及其特性[18-25]。2003年，Alu和Engheta等人开始研究ENG和MNG。他们将两种材料组合在一起构成双层结构进行研究，研究发现在某种条件下，这种双层结构对电磁波是透明的，即电磁波可以隧穿。他们利用等效传输线方法分析了这种双层结构(材料无色散)共振隧穿需要的条件(波阻抗匹配和相位匹配)，并且分析了此双层共轭结构的共振隧穿现象[3q。因此SNG引起了人们更加广泛的重视。Alu和Engheta等人又在传输线模型基础上利用分布式电路元来分析此双层结构的特性，同样证明出共振隧穿效应，并与传输线的方法进行了对比分析。而后他们二人又进一步对这样的单负材料双层结构进行研究。提出ENG、MNG、DPS、DNG其中任意两个构成的平行平面波导结构的理论分析结果，探究出一些依赖于频率变化的不5同寻常的特性。在这些特征中，他们重点研究了在有限的DPS．DNG和ENG．MNG薄板中TE和TM波的存在；在DPS．DNG薄板中传播波数大于两中材料中的任何一个的传播波数的波导模式存在等特征。这些特征可能会在今后的装置的设计中得到应用。而后研究较多的是ENG．MNG结构在平均相位为零时产生的能隙及其特性。2004年江海涛等人开始研究ENG．MNG双层结构产生的零平均有效相位带隙，这种带隙与布拉格带隙不同，不随光子晶体晶格的尺寸和排列次序变化而变化。同时他们的研究还得出由于在这种结构中场的分布情况导致这种零有效相位带隙与入射角及偏振态无关，因此是全方位带隙。同时与零平均折射率带隙也不相同，这种带隙可以随着两个板的厚度比的变化而变宽从2007年开始至今，对ENG．MNG双层结构的研究开始集中在共振隧穿这个特性上。2007年8月，董丽娟等人利用Maxwell方程组研究了负介电常数材料和负磁导率材料组成的双层结构的透射特性，给出了它们特殊的输运性质，并发现这种性质可以应用于带通滤波器的设计。而电磁波通过各向同性正常(介电常数和磁导率均为正)材料组成的结构时，只能通过小角度入射的电磁波，这种结构只可以实现低通滤波[26]。邓新华，刘念华等人又采用转移矩阵的方法求得透射率表达式。由两种SNG构成的有限周期结构，每一层中的场为前向衰减的迅衰场和反向衰减的迅衰场的叠加。在每一个原胞中，由于两种SNG界面两侧的材料参数符号相反，为了满足边界条件，导致电磁场能量的大部分局域在界面上，形成特殊的界面模式。在频率满足波阻抗匹配和相位匹配条件下，界面模演变为共振隧穿模。只要改变缺陷层的厚度和两种SNG的厚度比值之一就能有效调节共振隧穿模频率。这种特性可用来制作可调的双通道滤波器[27]。6同年12月他们又利用传输矩阵法研究了由两种SNG构成的光子晶体的透射特性和场的分布。计算结果显示：由这种结构构成的光子晶体具有两个共振隧穿模，利用有效介质理论分析了两个共振隧穿模形成的物理原因。并且两个共振隧穿模的频率和场强能够通过改变缺陷层的厚度和两种SNG的厚度比值之一进行有效调节。共振隧穿模场强随着两种SNG的厚度比dA／dB的增大而迅速增大，而且dA／dB每增加0．4倍场强增大一个数量级，同时隧穿模场的局域性也随着dA／dB的增大变得更加强烈，电场逐渐向与缺陷层两侧毗连的两个界面集中，同时两个共振隧穿模的半高宽(FWHM)变窄。人们能够利用这些特性更加实际地制作可调的全向双通道高品质因数滤波器。同时由于共振隧穿模电场具有随着两种SNG的厚度比增大而呈现指数增强的性质，这在非线性光学中可望得到广泛应用[28]。2008年2月石云龙，董丽娟等人又利用转移矩阵的方法从电磁波的偏振和入射角度入手研究了具有色散的ENG和MNG组成的双层共轭结构的共振隧穿问题，同时分析了材料无吸收和弱吸收时共振隧穿模的品质因子随材料厚度的变化情况。由于自然界中的绝大多数物质在光学频率不具有磁响应，而光学频率范围MNG的实现，可能为研究SNG的光学性质打开一扇大门。所以，将人造MNG的磁响应拓展到可见光频率是众多研究者关注的焦点。参考文献：[1]VeselagoVG．Theelectrodynamicsofsubstanceswithsimultaneouslynegativevaluesofpermittivityandpermeability．Soy．Phys．Usp．1968，10(4)：509—514P[2]PendryJB．Negativerefractionmakesaperfectlens．Phys．Rev．Lett．2000，85(18)：73966-3969P[3]RichardWZ，EhudH．Wavepropagationinmediahavingnegatirepermittivityandpermeability．Phys．Rev．E．2001，64(5)：056625-1-15P[4]王慧琴，刘正东，谢应茂．折射率正负交替的光子晶体的光学特性研究．光学技术．2006，32(3)：385-388页[5]赵乾，赵晓鹏，康雷，等．微波左手材料的反射率和相位随频率的变化特性．科学通报．2005，50(6)：584-587页[6]FengL，LiuXP，ChenYB，eta1．Negativerefractionofacousticwavesintwo—dimensionalsoniccrystals．Phys．Rev．B．2005，72(3)：0331