材料物理概论1章§1.3 － 2012年最新电子科技大学材料物理课件

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1、材料物理概论第1章§1.311.3.1.超常材料概述超常材料（Metamaterial）是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇。拉丁语“meta-”，可以表达“超出”，“亚”和“另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，§1.3超常材料材料物理概论第1章§1.32一般文献中的定义是“自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料”。有以下三个特征：①通常是新奇人工设计结构的复合材料；②具有超常的物理性质（往往是自然界的材料所不具备的）；③其性质往往不取决于构成材料的本征性质，而主要取决于其中的人工设计结构。人们已经发展出的这类“超常材料”

2、包括左手材料，光子晶体，声子晶体以及超常磁性材料等等。材料物理概论第1章§1.33对于metamaterial一词的称呼，我国尚未完全一致，有称为超材料、在国内Metamaterial有多种名称，如超材料、左手材料、人工电磁介质、特异介质等。本节着重介绍左手材料、光子晶体和声子晶体等超常材料。材料物理概论第1章§1.341.3.2左手材料1.左手材料与右手材料自然界中物质的介电常数和磁导率一般都与电磁波频率有关。波在低损耗介质中传播，此时电磁参数和可以看作实数，根据、的正负取值。材料可以分为如图1.3.1所示的4类。材料物理概论第1章§1.35在自然界中，大多数材料位于Ⅰ象限。对于无损

3、耗、各向同性、空间均匀的介质，根麦克斯韦(Maxwell)方程组可知E、H、k之间满足右手螺旋关系(右手规律)。这种介质材料就被称之为“右手材料”(right-handedmaterials)。根据，Maxwell方程，当一束平面波在位于象限Ⅰ的各向同性材料中传播时，波矢量为实数，因此波可以在这种材料中传播材料物理概论第1章§1.36波在位于第Ⅱ和Ⅳ.象限的介质中传播时，如果介质的介电常数和磁导率其中一个为正数而另一个为负数，则此时k2<0，波矢量为虚数，波动方程无实的波动解，这时材料的耗散非常大，一般认为电磁波在该类介质中不能传播，因为这类材料对频率具有截止功能。对于位于第Ⅲ象限的材料，介质

4、的介电常数和磁导率都小于零，但和“的乘积仍然为正，波动方程也有波动解，电磁波就能在其中传播。材料物理概论第1章§1.37与Ⅰ象限材料相比，料相比，虽然波方程没有改变，但Maxwell方程旋度方程发生了改变，从而引起了电磁波传播性质上的根本变化。波在其中传播时，电场E磁场H和波矢量k的方向将互成左手系，这时波矢量k与能流Poynting矢量S方向相反。E、H、k之间不再满足右手螺旋关系，而是满足“左手螺旋”关系。具有这种关系的介质材料就被称为左手材料（LefthandedMaterialLHM）。材料物理概论第1章§1.38左手材料是前苏联理论物理学家Veselago于1967年最先提出来的

5、。当时自然界观察不到这种材料的存在，不可利用。Veslago所做的工作只停留在理论假说上。“左手材料”中代表电磁波相速方向的k和玻印廷矢量S的方向相反图1.3.2为电磁波在左手材料与右手材料电场、磁场ihx波向量（相速）和能量密度（Poynting矢量S）的对比。材料物理概论第1章§1.392.左手材料的电磁特性（1）负折射效应在光的电磁理论中，无源介质内频率为ω的电磁波满足的方程为其中n为折射率。对于方程(1.3.1)对于n和–n都成立。如果单从电磁波的方程来看，取正号和取负号都是容许的，但实际上，折射率的符号并不任意，而是要受到物理要求的限制。材料物理概论第1章§1.310折射率的表示式

6、应写成对于左手材料，电磁波满足的方程仍是方程(1.3.1)，但折射率必须取负值，这才满足能量守恒定律。当单色平面波入射到两介质界面时就会发生反射和折射现象（如图1.3.3），其折射现象满足Snell定律。材料物理概论第1章§1.311对于正常材料，该现象称为“正折射”；若介质1为正常材料RHM，若介质2为LHM时，折射光线3和入射光线1位于界面法线同侧，相当于折射角为负值，且折射光线的能流密度S方向与波矢k方向相反，称为“负折射”。折射角大小仍由Snell定律确定，若把折射率取为负值，那么Snell定律仍然成立。所以左手材料又称负折射率材料。材料物理概论第1章§1.312（2）逆Dop

7、pler效应当波源和观察者互相接近时，观察到的振动频率增加；当两者互相远离时，观察到的振动频率减少，这就是著名的Doppler效应。类比声波在空气中的传播，一列火车在迎面开来的时候听到的笛声频率逐渐升高，音调变高；反之，笛声频率逐渐减小，音调变低。材料物理概论第1章§1.313但LHM内波的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。所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低