3负折射率材料

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1、负折射率材料光学王磊13S011062一、负折射率材料历史及研究现状负折射率材料(NIMs，Negativeindexmateri—als)是指一种介电常数e和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。这种被称为负折射率材料(“左手材料”)的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐，对其的研究正呈现迅速发展之势。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

2、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。这种负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛关注。早在1967年Veselago首先研究了这种负折射率系数材料(1eft—handedmedia)，他用方程证明这种材料具有负的光学折射率。由于传统材料的折射率为正数，我们通常称这种材料为正折射率材料。负折射率材料具有一些奇特的光学与电磁学性质，比如Doppler效应与Cherenkov辐射的逆转、交界面上的反常折射、原子自发辐射率的特殊改变等现象在负折射率材料中

3、都会出现。电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同。负折射率材料的出现，颠覆了～般材料中所普遍遵循的“右手规律”。而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。物理学中，介电常数e和磁导率p是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数e和磁导率u都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料(right-handexlmalefials，RHM)。这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。196

4、8年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当e和肛都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料(1eft．handedmaterials，LHM)，同时指出，电磁波在这种材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等。这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上，但几乎无人意识到，材料世界将从此翻开新的一页。负折射率材料的研究发展并不一帆风顺。在

5、这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中并未发现实际的负折射率材料，所以，这个假设并没有立刻被人们接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到时光将近本世纪时才开始出现转机。原因在于英国科学家Pendry等人在1998～1999年提出了用周期性排列的金属条和金属谐振环(Split2RingResonator)可以在微波波段产生负的等效介电常数和负等效磁导率阶，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。2001年的突破，使负折射率材料的研究在世界上渐渐呈现旋风之势。2001年，美

6、国加州大学SanDiego分校的DavidSmith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以锕为丰的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了负折射牢材料的存在。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。这将可能对电子通讯业产牛熏大影响，相关研究成果也发表在当月的美国《应用物理快报》上。2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了负折射率材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束

7、、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等等。负折射率材料的前景开始引发学术界、产业界尤其是军方的无限遐想。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UniversityofToronto电机系的GEleftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律；IowaStateUniversity的s．Foteinopoulou也发表了利用光子晶体做为介质的负折射率物质理论仿真的结果；美国麻省理工学院的E．Cubukcu和K．Aydin在《自然》

8、杂志发表了文章，描述了电磁波在二维光予晶体中的负折射现象的实验结果。基于科学家们的多项发现，负折射率材料的研制赫然进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。200