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1、刘亚红等:微波左手材料及其应用前景3393微波左手材料及其应用前景刘亚红,罗春荣,赵晓鹏(西北工业大学电流变技术研究所,陕西西安710072)摘要:左手材料是一种介电常数ε和磁导率μ同2左手材料的实现时为负的人工周期结构材料,在其中传播电磁波的群速度与相速度方向相反,从而呈现出许多奇异特性。由于自然界中不存在ε和μ同时<0的物质,因而本文介绍了左手材料的基本概念、实现原理,综述了其Veslago提出的LHMs只能作为一种理论上的设想而在理论与实验研究方面取得的最新进展、研究热点、缺无法实现。而每一种材料都可以
2、看作为复合材料,可陷效应及实现负折射的其它途径。最后对左手材料的以通过人工分别设计负介电常数材料和负磁导率材应用前景进行了展望。料,并将两种材料组合起来从而实现左手材料。关键词:左手材料;负介电常数;负磁导率;负折射2.1理论上左手材料的实现中图分类号:O436.1;O441文献标识码:A2.1.1负介电常数的实现文章编号:100129731(2006)0320339206Pendry提出了一种获得负介电常数材料的方法,他发现周期性排列的导电金属线对电磁波的响应与等1引言[6]离子体对电磁波的响应行为相似。等
3、离子体是由大左手材料(left2handedmetamaterials,LHMs)是量接近自由运动的带电粒子所组成的体系,在整体上一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工周期结构呈电中性,其介电常数为:2材料,在其中传播电磁波的电场分量、磁场分量与波矢ωpε(ω)=1-(1)2满足左手定则;群速度与相速度方向相反,从而呈现出ω许多反常的物理光学现象,如负折射效应[1,2]、反常多其中ωp为等离子体频率。当ω<ωp时,其介电常普勒效应[3]、完美透镜效应[4,5]、反常Cherenkov辐射数<0。而金属的等离子
4、体频率为:2等。左手材料的概念最早由前苏联科学家Veselagoω2nee(2)p=ε0meff于1968年提出,但是由于自然界不存在这种性质特异其中ne为电子数密度,e为电子电量,meff为电子的物质,在近30年内对其的研究几乎处于停滞状态。有效质量ε,0为真空介电常数。通常金属的等离子体20世纪90年代,受到光子晶体研究的启发,英国物理频率ωp在紫外光波段,因而金属在稍低于其等离子体学家Pendry提出了分别实现负介电常数和负磁导率频率ωp处的光学频段具有负介电常数。为了宏观排介质的理论模型,重新开启了该
5、领域的研究。Pendry列的方便性要实现微波段的负介电常数,需要降低等等研究发现周期性排列的导电金属线对电磁波的响应[6]离子体频率ωp。而周期性排列的金属线阵列如图1,与等离子体对电磁波的响应行为极为相似,可通过能够降低其有效电子数密度ne,提高有效质量meff,从此种方法获得介电常数ε为负的材料;Pendry又进一而降低其等离子体频率ωp,实现微波段负介电常数。步研究表明按不同方式排列的导电开口谐振环(splitPendry理论研究表明周期性排列的金属线阵列的等ringresonators,SRRs)的电
6、磁响应行为与磁性材料相离子体频率可表示为:似,尤其是该结构的磁导率μ在某一特定频率范围为2[7]22πc0负。依据Pendry的设计思想,Smith等将SRRs和ωp=2(3)aln(a/r)金属线按照一定的图案周期性排列而制备了一种人工式中r为金属线半径,其值很小,a为晶格常数,c0[8,9]结构材料,并对其微波电磁响应行为进行了实验研为真空中光速。周期性排列的金属线阵列的有效介电究,首次证实了负折射现象的存在。该发现激起了研常数可表示为:究者的极大兴趣,自此左手材料的研究工作成为科学22ωp-ω0ε(ω)
7、=1-(4)界关注的焦点。本文从左手材料实现方式、研究现状22ω-ω0+ωiΓ与进展、热点问题、缺陷效应、实现负折射的途径、应用其中ω0为谐振频率,取决于材料的几何结构参与展望等多方面对该领域进行了综述。数,Γ为结构的损耗参数。由上式可见,当ω0<ω<ωp时,该结构中不存在传播模,在此频率段内出现禁带,3基金项目:国家杰出青年基金资助项目(50025207);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB719805)收到初稿日期:2005207214收到修改稿日期:2005209213通讯作者
8、:赵晓鹏作者简介:刘亚红(1981-),女,陕西西安人,在读硕士,从事智能材料的研究。340功能材料2006年第3期(37)卷22即其介电常数为负。其中ω0为SRRs的谐振频率,F=πr/a确定了负磁导率的频带宽度,Γ′=2lρ/(rμ0)为损耗参数,a为结构单元尺寸,ρ为沿SRRs周长方向单位长度的电阻。由上式可见,当ω0<ω<ωb时,μ<0,其中ωb=ω0/1-F。电磁波不能在该波段传播,即出现
