左手材料制备的研究进展

《左手材料制备的研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn左手材料制备的研究进展112王晓燕,李国锋张庆猛1北京理工大学理学院物理系(100081)2西安交通大学理学院(710049)E-mail:wxyzqm7980@126.com摘要:左手材料最早是在1968年由前苏联科学家V.G.Veselago理论上提出的它是一种介电常数和磁导率同时为负的材料,近几年得到了突破性的进展文章主要介绍了左手材料在制备方面的进展一些制备方法已经成功并在实验上观测到了负折射现象一些还只是在理论上提出了实现的可能性关键词:左手材料光子晶体负折射率负折射现象1.

2、引言1968年前苏联物理学家V.G.Veselago在理论上研究了介电常数和磁导率严格地说是它们的实部均为负值的物质的电磁性质首次提出了左手性物质的概念并预言了一些奇异的电磁性质如光的负折射现象逆多普勒效应逆切连科夫效应以及负光压现象[1]等等尽管左手性物质有很多奇异的电磁性质,但自然界中并不存在这样的物质,又由于当时技术上的原因因此研究只是停留在理论上,并且在随后的30年里没有得到大的发展直到2001年,美国加州大学圣迭戈分校的D.R.Smith等人利用周期性排布的细铜导线和开口谐振环首次制造出在微波波段同时具有负介电常数负磁导

3、率的人工复合媒质,并在实验中观[2]测到了负折射现象从而证明了左手性物质的存在随后左手材料受到了学术界的广泛关注人们试着从各个角度来制备左手材料并研究其特殊的性质左手材料得到了快速的发展2.左手材料的制备方法2.1回旋物质中实现负折射率的理论研究介电常数和磁导率是描述物质电磁性质的基本物理量决定着电磁波在物质中的传播特性和皆为二阶张量在各向同性介质中它们退化为标量在绝大多数各向同性的自然介质中和的实部均取正值有些自然介质如金属和等离子体对于频率低于其等离子频率的电磁波而言其表现为负值但在自然界中还没有发现磁导率为负的物质[1]V.

4、G.Veselago提出在回旋物质中介电常数或磁导率可取为如下张量形式ε1iε20µ1iµ20εik=−iε2ε101µik=−iµ2µ10200ε00µ33一个典型的例子就是磁场中的等离子体磁场的方向取为Z轴方向则它的介电常数1http://www.paper.edu.cn可取为1式中的张量形式磁导率为标量如果一平面圆偏振波沿Z轴方向在等离子体中传播则介电常数退化为标量ε=ε±ε±分别对应着右旋和左旋圆偏振光而在铁12磁材料中磁导率取为2式中的张量形式介电常数为标量同样在某些特定条件下磁导

5、率也退化为标量µ=µ±µ这样就可寻找一种介电常数和磁导率均为张量的回旋物12质例如纯铁磁性金属或者半导体当一圆偏振波沿着外加磁场的方向在这些介质中传播时折射率取为如下形式2n=(ε±ε)(µ±µ)1212从上式不难看出有效介电常数和磁导率都可能为负从而在这种回旋媒质中实现了负折射率这种回旋媒质要具有两个性质1要包含大量可移动的载流子来形成电子空穴等离子体2存在相互作用的自旋体系来产生大的磁导率2.2基于周期性排布的细铜线和开口谐振环的人工复合媒质V.G.Veselago提出的左手物质的实现方法在当时的技术条件下很难实现因此研究只是

6、停留在理论上,并且在随后的30年里没有得到大的发展直到1999年英国皇家学院的[3]J.B.Pendry提出细金属线阵列结构具有类似于稀薄等离子体的性质当入射波频率低于等离子共振频率时有效介电常数为负值有效介电常数与频率的关系为ω22p2neε=1−ω=eff2pωεm0eω为等离子频率一般金属的等离子频率落在可见光或者近紫外波段在金属线阵列p中自由电子受到限制只能沿着金属线运动产生了两种影响1降低了有效电子密度[4]2利用磁效应增加了电子有效质量这使得等离子频率降到微波波段1999年J.B.Pendry又提出利用开口谐振环简称S

7、RR的周期性排布结构可实现负的磁导率公式形式如下2Fωµ=1−eff22ω−ω+iωΓ0FωΓ是SRR本身几何尺寸的参数与频率无关基于以上两种结构美国加0[2]州大学圣迭戈分校的D.R.Smith等人利用周期性排布的细铜线和开口谐振环构造了在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的人工复合媒质(又称metamaterial)如图1所示并首次通过棱镜实验观察到了微波通过这种人工媒质与空气的交界面时发生的负折射现象这种人工媒质是利用局域共振机制导致介电常数和磁导率同时为负既材料具有有效的负折[5]射率的它要求入射波波长远远大于周期性单元

8、的尺寸因此该结构可看成均匀媒质2http://www.paper.edu.cn由于该结构具有较大的损耗和较窄的负折射带宽在应用中会受到很大的限制图1人工合成媒质的结构示意图2.3利用光子晶体实现负的折射现象光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的新