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1、左手材料[浏览次数：约1455次]· 左手材料是指介电常数和磁导率同时为负数的材料，在这种介质中，电场、磁场和电磁波传播常数三者之间构成左手螺旋关系。这是一种新颖奇异的材料,其通常也称负折射率材料。左手材料是近年来国际上研究的热点，具有负折射率、逆多普勒效应、完美成像等一系列性质，通过金属周期性结构及传输线可人工实现，在天线及新型微波器件等性能改进方面具有极大的优势。目录·左手材料的发展历史·左手材料的性质·左手材料的人工实现·左手材料的发展前景左手材料的发展历史· 1968年，前苏联科学家VeselagoVG发现介电常
2、数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射现象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理论上。1996年Pendry提出了金属线周期结构，这种结构可使介质的介电常数为负。1999年，Pendry等人又用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率材料存在的可能性，人们对这种材料也投入了更多的兴趣。 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
3、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。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，
4、样品实验的数据与模拟计算非常吻合，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。左手材料的性质· 材料与电磁波的相互作用主要体现在材料的介电常数ε和磁导率μ这两个物理参数上。考虑波在低损耗介质中传播,此时介电常数ε和磁导率μ可以看作实数,根据ε和μ的正负取值,材料可以分为如图所示的4类。在自然界中,大部分材料位于1象限,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,波矢为实数,因此波可以在这种材料中传播,波在位于第Ⅱ和Ⅳ象限的
5、介质中传播时,波矢为虚数,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,发现ε和μ乘积仍然为正,说明波可以在其中传播,与Ⅰ象限材料相比,虽然波方程没有改变,但Maxwell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。 1.电磁学性质 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
6、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方向与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，因此，左手介质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，这一点可以由电磁场能量表达式（4）得到 若不存在色散的话，由ε＜0，μ＜0总能量将为负值。 2.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
7、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时将与ε2/ε1>0,μ2/μ1>0时符号的相对,那么,与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. 3.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
8、到的反射波的频率会增加，这种现象为逆多普勒效应。 4.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
