左手材料研究進(jìn)展及應(yīng)用

1、左手材料研究進(jìn)展及應(yīng)用左手材料，指的是介電常數(shù)（£ ）和磁導(dǎo)率（卩）都是負(fù)數(shù)的材料（物質(zhì)）在口然 界屮，所有物質(zhì)的介電常數(shù)（£ ）和磁導(dǎo)率（u ）都是正數(shù).左手材料這種新型材料 的非常z處，在于其負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率使得主導(dǎo)普通材料行為的許多物理特 性產(chǎn)生逆變.左手材料有吋也被稱作”異向介質(zhì)”，”負(fù)折射系數(shù)材料”.迄 今為止，我們?cè)谧匀唤缰幸?jiàn)到的都是右手材料，右手規(guī)則一直被認(rèn)為是物質(zhì)世界 的常規(guī).但是，在左手材料中，電磁波的電場(chǎng)，磁場(chǎng)和波矢卻構(gòu)成左手關(guān)系.這也是 這種材料被稱為左手材料的原因.由于這種材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都是負(fù)數(shù)，折射率也是負(fù)的，根據(jù)電磁學(xué)理 論，可以推斷

2、出它有很多奇異的物理特性.由于這個(gè)學(xué)期正在學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng) 的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和這種反常自然界物質(zhì)的神奇特性讓我非常感興趣.雖然閱讀了較多 的文獻(xiàn)，不過(guò)很多理論還是不能理解.不過(guò)，我理解的那一部分己經(jīng)受益匪淺了. 比如，人的大腦要有創(chuàng)新粘:神，敢于突破常規(guī)，雖然右手規(guī)則是統(tǒng)治自然界物質(zhì)的 普遍規(guī)律，在我們的腦海中，也根深蒂固的冇e和p同時(shí)0的概念，不過(guò)，只要 敢于想，敢于創(chuàng)造，這種突破自然界常規(guī)的物質(zhì)lhm （1 eft hand material）就可以 發(fā)揮出它巨大的功能.一.左手理論的起源和發(fā)展1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家veselago在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文， 首次報(bào)道了他在理論

3、研究中對(duì)物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即：當(dāng)£和u都為負(fù) 值時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系。他稱這種假想的物質(zhì)為左手材料， 同時(shí)指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負(fù)折射、 負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等等。這篇論文引起了一位英國(guó)人的關(guān)注，1968 年被譯成英文重新發(fā)表在另一個(gè)前蘇聯(lián)物理類學(xué)術(shù)刊物上。但兒乎無(wú)人意識(shí)到， 材料世界從此翻開(kāi)新的一頁(yè)。左手材料的研究發(fā)展并不是一帆風(fēng)順。在這一具冇顛覆性的概念被提出后的 30年里，盡管它有很多新奇的性質(zhì)，但由于只是停留在理論上，而在自然界小 詣未發(fā)現(xiàn)實(shí)際的左手材料，所以，這一學(xué)術(shù)假設(shè)并沒(méi)有立刻被人接受，而是處于 兒乎無(wú)

4、人理睬的境地，直到將近本世紀(jì)時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。英國(guó)科學(xué)家pondry 等人在1998-1999年提出一種巧妙的設(shè)讓結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁 導(dǎo)率，從此以后，人們開(kāi)始對(duì)這種材料投入了越來(lái)越多的興趣。2001年的突破， 為左手材料的研究形成熱潮莫定了歷史性基礎(chǔ)。2001年，美國(guó)加州大學(xué)san diego分校的david smith等物理學(xué)家根據(jù)pendry 等人的建議，利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具冇負(fù)介電常數(shù)、 負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，微波以負(fù)角 度偏轉(zhuǎn)，從而證明了左手材料的存在。2002年7刀，瑞士 ethz實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三

5、維的左手材料，這將 可能對(duì)電了通訊業(yè)產(chǎn)生重人彩響，相關(guān)研究成果也發(fā)表在當(dāng)月的美國(guó)應(yīng)用物理 快報(bào)上。2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甄教授從理論上證明了左手材料存在的合理性， 并稱這種人工介質(zhì)可用來(lái)制造高指向性的天線、聚焦微波波朿、實(shí)現(xiàn)“完美選 鏡”、用于電磁波隱身等等。左手材料的前景開(kāi)始引起學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界尤其是軍 方的無(wú)限遐想。2003年是左手材料研究獲得多項(xiàng)突破的一年。美國(guó)西稚圖boeing phantom works 的 c. parazzoli 與加拿大 university of toronto 電機(jī)系的 g. fl eftheriades所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到了負(fù)拆射定

6、 律;towastate uni versi ty的s. foteinopoul ou也發(fā)表了利用光了晶體做為介 質(zhì)的左手物質(zhì)理論仿真結(jié)果；美國(guó)麻省理工學(xué)覽的e. cubukcu和k. aydin在自 然雜志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體屮的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 基于科學(xué)家們的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，左手材料的研制赫然進(jìn)入了美國(guó)科學(xué)雜志評(píng)出的 2003年度全球十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球囑目。二lhm的理論解釋(l)k, e,h的左手關(guān)系從maxwell方程出發(fā)：對(duì)于各向同性的lhm,存在木構(gòu)關(guān)系：d = e e b 二 ph從波動(dòng)方程：得到色散關(guān)系：其中為折射率的平方。對(duì)于折射率n,當(dāng)e和u同吋>

7、0吋，符合色散關(guān)系，波動(dòng)方程有解。若同吋改 變介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的符號(hào)，使得£和u同時(shí)<0,可以看到他們的乘積數(shù)值相同, 波動(dòng)方程同樣會(huì)有解，這并不違反maxwell定律。但電磁參數(shù)同時(shí)為負(fù)的解必然 和通常的不同，從而得到電磁波的特性必然有很人差異。由麥克斯韋的兩個(gè)旋度方程：電磁波在無(wú)源媒質(zhì)中傳播吋nj'得由 可以看出，當(dāng)£>0、卩>0時(shí)，如圖1(a)所示，電場(chǎng)e,磁場(chǎng)ii和波矢量k 滿足右手螺旋關(guān)系；而當(dāng)£0、卩0時(shí)，上述三者滿足左手螺旋關(guān)系，如圖1(b) 所示。另外，描述電磁波能流密度的坡印廷矢量定義為：s二exh山此看出，能 流密度與

8、電場(chǎng)e、磁場(chǎng)h滿足右手螺旋關(guān)系。從而可以得出一個(gè)有意思的結(jié)論，當(dāng)£0、y >0時(shí)，能量流動(dòng)方 向s和電磁波的傳播方向k是一致的；而當(dāng)£0、p <0時(shí)，兩者的方向卻是相 反的。波矢k代表相位傳播方向，波印廷矢量s代表能流傳播方向，即群速度傳播 方向所以lhm是一種相速度與群速度札i反的物質(zhì).(。)右手(£ >0, u >0)(b)左手(£ < 0, u < 0)圖(1)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、波向量與能流密度方向z間的向量關(guān)系同時(shí)，lhm必須是色散物質(zhì)，這一點(diǎn)可以由電磁場(chǎng)能量表達(dá)式看出式因?yàn)?，如果不存在色散的話，根?jù)式£

9、<0, h0,總能量將為負(fù)值.（2）lhm具有負(fù)的折射特性圖2中，如果媒質(zhì)2同時(shí)擁有負(fù)參數(shù)，它的折射系數(shù)表征為：式圖（2）電磁波在rhm和lhm兩種材料分界而的傳播由于兩個(gè)負(fù)數(shù)乘積與兩個(gè)正數(shù)乘積的值相同，等式（2）得到與正參數(shù)媒質(zhì)相同 的折射系數(shù)。為便于區(qū)分和保持參數(shù)的一致性，假設(shè)媒質(zhì)2有損耗且其電磁參數(shù) 為復(fù)數(shù)：式當(dāng):re（ e 2r）, re（u 2r）為正時(shí)，ow 8 w 開(kāi) /2re （ £ 2），re （ u 2r）為負(fù)時(shí)，兀 /2w 0，u w 兀將（3）代入（2）中得到：這樣折射系數(shù)明確地由構(gòu)成媒質(zhì)電磁參數(shù)的正負(fù)所決定，即右手材料中n2>0 稱為正折射，左手

10、材料中n2<0稱為負(fù)折射。折射角的大小仍可由折射定理給出， 當(dāng)n2=- i n2 |時(shí)，由折射定理nlsin 0 l=n2sin 0 2可以得到一個(gè)負(fù)折射角，此時(shí) 折射線和入射線出現(xiàn)在法線的同側(cè)。用它制成的透鏡與普通玻璃透鏡相比有著完全不同效果，如用lhm做成的凸 （凹）透鏡對(duì)光線有發(fā)散（匯聚）作用，與玻璃透鏡的情況正好相反，如圖（3）所示。圖（3）左手媒質(zhì)做成的透鏡對(duì)光的折射（3）lhm 負(fù)的 doopier 效應(yīng)在左手材料中波矢方向與能流方向相反，如圖（4）所示。若探測(cè)器向光源（頻率 為3 0）靠近時(shí)，在rhm中探測(cè)到的頻率比3 0高,而在lhm中探測(cè)到的頻率比3 0 低。若探測(cè)器離

11、開(kāi)光源時(shí)，在rhm中探測(cè)到的頻率比3 0低，而在lhm中探測(cè)到的 頻率比3 0高。左手材料中源的輻射性傳播并不是向前而是指向輻射源。圖（4）兩種媒質(zhì)的doopier效應(yīng)描述電磁波功率流動(dòng)的坡印亭欠量表示為s二exh*,因各個(gè)構(gòu)成量并不依賴 構(gòu)成材料電磁參數(shù)符號(hào)的變化而變，表明在左手媒質(zhì)屮坡印亭矢量和群速仍與在 右手媒質(zhì)屮相同。（4）lhm的分界面條件從maxwell方程我們得到電磁波經(jīng)過(guò)兩種媒質(zhì)界面時(shí)k、e、h的切向分量連 續(xù)不受影響，法向邊界條件不連續(xù)，滿足邊界條件：（4）（5）當(dāng),，從、（5）式可得出enl、hnl分別與en2. hn2符號(hào)相反，而切線分量 不變，則能流s的方向（exh）在

12、lhm中與波矢k方向相反（圖5所示）。研究者們 從試驗(yàn)現(xiàn)象上進(jìn)行了驗(yàn)證，如c.caloz用軟件對(duì)lhm和rhm交界處進(jìn)行仿真模擬， 得到了各量在分界面處的變化情況。結(jié)果歸納如圖所示。圖（5）rhm和lhm交接面處的邊界條件（5）lhm的本征阻抗值電磁波從rhm入射到lhm,為便于研究，不妨設(shè)在兩種材料中傳能量輸相同，使 時(shí)能量完全匹配，電磁波完全從一種媒質(zhì)進(jìn)入到另一種媒質(zhì)中，則在交界面處反 射系數(shù)必須為零，對(duì)于垂直入射波()有或者，阻抗值由材料的無(wú)源特性決定，因 此左手材料的阻抗仍為正值。(6) 完美透鏡“完美透鏡”的概念如下：當(dāng)一束光源從真空射入左手介質(zhì)組成的平板時(shí)， 山于左手介質(zhì)的負(fù)折射率

13、導(dǎo)致折射光線以相對(duì)于表面的負(fù)角度偏折，使得原先 從一個(gè)光源發(fā)出的光線重新聚焦于一點(diǎn)，如圖6所示。圖(6)完美透鏡示意圖當(dāng)透鏡的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率皆為-1；即r= - 1, p r = - 1,此 時(shí)透鏡介質(zhì)阻抗與真空相同。此時(shí)透鏡與外部媒質(zhì)的分界面上達(dá)到良好的匹配，其反射系數(shù)為 零。pendry認(rèn)為，在這種情況卜，傳播波與消失波對(duì)圖像的分辨率都有貢獻(xiàn)。 因此，在重構(gòu)一副圖像時(shí)，不受實(shí)際尺寸和透鏡表面完美性的限制?？梢詫?shí)現(xiàn)“理想成像”。(7) 負(fù)介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)的理論解釋等離子體的介電常數(shù)表示為drude模型：其中等離子體頻率，m為總動(dòng)量值，n為平均電荷密度。其介電常數(shù)隨頻率變化 而變化，當(dāng)工

14、作頻率低于sp時(shí)，將e p(g)<0,此時(shí)波矢為虛數(shù)，電磁波不能在等 離子體內(nèi)傳播oj. pendry為左手材料的實(shí)現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ),1996年發(fā)表論文指 出，周期排列的金屬細(xì)線(rod)對(duì)電磁波的響應(yīng)與等離子體對(duì)電磁波的響應(yīng)行為 相似，其原理是電磁場(chǎng)在金屬細(xì)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流，正負(fù)電荷分別向細(xì)線兩端聚 集，從而產(chǎn)生與外來(lái)電場(chǎng)反相的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電磁波電場(chǎng)極化方向與金屬線平行時(shí) 起高通濾波作用，在低于電等離子頻率時(shí)材料介電常數(shù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，且滿足表達(dá) 式：3p是電等離子頻率，此時(shí)，n為金屬內(nèi)的電荷密度，r為細(xì)線半徑，a是細(xì)線間 距。3 e是電諧振頻率，當(dāng)頻率出現(xiàn)在3 e和3 p之間時(shí) eff出現(xiàn)

15、負(fù)值(8) 負(fù)磁導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)的理論解釋1999年pendry提出另外一種結(jié)構(gòu)，周期排列且單元尺寸遠(yuǎn)比波長(zhǎng)小的金屬開(kāi) 環(huán)諧振器srrs (split ring resonators) «開(kāi)環(huán)諧振器在受到微波磁場(chǎng)的作用會(huì) 感應(yīng)出環(huán)電流，這好比一個(gè)磁矩，加強(qiáng)或者抵抗原磁場(chǎng)，在諧振頻率處會(huì)出現(xiàn)負(fù)磁 導(dǎo)率，且滿足表達(dá)式：f為srrs在一個(gè)單元的填充因了，30為依賴于srrs結(jié)構(gòu)的諧振頻率，® m是 磁等離子頻率，1、是損耗因子。w0<w<om, y eff出現(xiàn)負(fù)值。二左手材料的實(shí)現(xiàn)(1)微波段lhm的合成1）基于srrs和金屬線的lhm合成smith和shelby等人根據(jù)負(fù)介

16、電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率獲得的方法將rods近距離放 在srrs附近，通過(guò)周期排列構(gòu)成復(fù)合材料。在此復(fù)合材料中，由于外部電場(chǎng)和磁 場(chǎng)在金屬結(jié)構(gòu)上的感應(yīng)電流同時(shí)起作用，使得介電常數(shù)和磁導(dǎo)率表達(dá)式都體現(xiàn)出 drude模型的形式。通過(guò)計(jì)算、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使rods和srrs復(fù)合材料介電 常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為負(fù)的頻率范圍冇重合（圖7為smith實(shí)驗(yàn)樣本的基本構(gòu)成）。 頻率在10.210.8ghz范圍內(nèi)材料的£、u都出現(xiàn)負(fù)值，在諧振頻率范圍內(nèi)折射 系數(shù)表現(xiàn)為負(fù)值，出現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。圖7 （r為一個(gè)單元開(kāi)環(huán)諧振器（srr）,形狀是 正方形,c二0. 25mm, d=0. 30mm, g=0. 46mm,

17、w=2. 62mm,銅厚度為 0. 03mm;圖 7 （b）為在 玻璃纖維母板兩側(cè)植入銅質(zhì)開(kāi)環(huán)諧振子和細(xì)銅線，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元山6個(gè)諧振子和 兩根細(xì)銅線組成，兩塊母板夾角為90° ;圖7（c）為a實(shí)驗(yàn)材料樣品，b負(fù)折射的試 驗(yàn)結(jié)果。圖（7） smith實(shí)驗(yàn)樣本的基本構(gòu)成需要指出的是，構(gòu)成lhm的細(xì)線和開(kāi)壞諧振器在空間一般按各向界性分布，所 以由圖7（c）表述的結(jié)構(gòu)具有各向異性的性質(zhì)。在諧振頻率范i韋i內(nèi)，只有當(dāng)完全極 化的電磁波沿x或y軸入射時(shí)p和e是負(fù)值，左手特性才會(huì)出現(xiàn)。目前研究的 左手材料是由開(kāi)環(huán)諧振器和金屬細(xì)線兩種結(jié)構(gòu)周期排列組成，在制作和使用上都 有一定的難度，且呈現(xiàn)左手材料性

18、質(zhì)的頻段較窄，應(yīng)用受到限制。2）基于其它結(jié)構(gòu)單元的左手材料左手材料的實(shí)現(xiàn)要求介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)小于零，即系統(tǒng)中必須存在兩個(gè)獨(dú) 立的諧振（電諧振和磁諧振），且諧振的頻段要有重疊部分，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。因 此在現(xiàn)有左手材料設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上衍生出許多其它形狀的左手材料，如l. ran等設(shè)計(jì)的q結(jié)構(gòu) 左手材料（圖8a）充分利用了單元中兩金屬結(jié)構(gòu)z間的耦合效應(yīng)，一定程度地實(shí) 現(xiàn)了開(kāi)口諧振環(huán)為金屬線的“集成”。他們還應(yīng)用熱壓工藝將處于不同層的q 環(huán)狀左手材料固化成體狀復(fù)合材料，從而為實(shí)際應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。h chen 設(shè)計(jì)了由同時(shí)具有負(fù)介電和負(fù)磁導(dǎo)響應(yīng)的類似s形的共振器組成的弓形左手材 料（圖8b）

19、;a.n. lagarkov設(shè)計(jì)了螺旋環(huán)左手材料（圖8c）。應(yīng)用傳輸線也可實(shí) 現(xiàn)左手材料。傳輸線是由周期性排列的電子元器件組成，包括串聯(lián)的電感和并聯(lián) 的電容，電磁波在其中傳播的色散關(guān)系少正折射材料相同。但當(dāng)電感和電容的位 置發(fā)生互換時(shí)，即電感并聯(lián)、電容串聯(lián)，電磁波在其中傳播的色散關(guān)系與負(fù)折射材 料類似。2004年grbic等采用由電容c和電感l(wèi)等電子元器件組合實(shí)現(xiàn)了傳輸 線平板左手材料（圖8d）,觀察到負(fù)折射及平板聚焦特性，其成像的分辨率達(dá)到了 0.36x ,突破了衍射極限成像°另外,pendry在2004年末理論上提出了采用手性 媒質(zhì)少諧振的電偶極子系統(tǒng)組合成諧振的手性系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)

20、折射.按此種方法制 備左手材料，其結(jié)構(gòu)單元與諧振波長(zhǎng)之比可達(dá)1 ： 100,這將有助于實(shí)現(xiàn)以小的器 件體積作用較大波長(zhǎng)的電磁波并有利于器件單元的集成。圖（8）基于其它結(jié)構(gòu)單元的左手材料3）負(fù)折射率的試驗(yàn)驗(yàn)證2001年4月ucsd發(fā)表于science)上的負(fù)折射率的試驗(yàn)驗(yàn)證一文對(duì) 左手介質(zhì)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。圖9( a)為其用于試驗(yàn)的用銅線和裂 縫壞狀諧振器(split ring resonator, srr)組成的周期陣列。(a)(b)圖(9)用于負(fù)折射率試驗(yàn)驗(yàn)證的人工介質(zhì)和試驗(yàn)裝置圖9(b)為在微波波段進(jìn)行試驗(yàn)的測(cè)量裝置。圖10(a)為f =10. 5ghz時(shí)進(jìn)行的折 射角的測(cè)量結(jié)果

21、，其中實(shí)線與虛線分別為試驗(yàn)材料與普通材料(聚四氟乙烯)的 測(cè)試曲線。從測(cè)試結(jié)果看，兩者折射角相差約90。圖10(b)為試驗(yàn)材料在 f二曠12ghz時(shí)折射率測(cè)量結(jié)果，其屮10. 210.8ghz為負(fù)值。圖(10)負(fù)折射率的試驗(yàn)結(jié)果在該論文中，對(duì)折射率的正負(fù)取值提出了看法，其依據(jù)來(lái)源于折射率數(shù)學(xué)平方 根的取舍：因此，在以往的關(guān)于折射率的描述，上式只取+號(hào)，-號(hào)被視為無(wú)意義.論文認(rèn)為：在 當(dāng)£0, 口0時(shí)，式取+號(hào)；而當(dāng)£0, 口0時(shí)，取-號(hào)，即負(fù)折射率.4) 微波頻段lhm的應(yīng)用自2001年ucsd發(fā)表了在微波頻段完成了 lhm材料的人工制作之后，在微波 頻段制作“人工材料”(

22、metamaterials)得到很大發(fā)展，并在微波部件和天線設(shè) 計(jì)屮得到廣泛應(yīng)用。2003年ieee天線與傳播匯刊專門出版了關(guān)于“人工 材料”的專輯，包含lhm和egb兩類材料。從微波電路設(shè)計(jì)看，lhm和egb制 作幾乎就是同一種模式；相對(duì)于演繹少光子帶隙結(jié)構(gòu)的egb來(lái)說(shuō)，lhm的物理意 義更加明確。微波頻段的人工材料大部分都具有顯著的“色散”特性，其負(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都出現(xiàn)的較窄的頻段內(nèi)，在一定的工作帶寬內(nèi) 人工材料會(huì)同時(shí)具有右手、左手特征，此材料也稱為“左右手混合材 料”(crlh)。下面給出的兩個(gè)例子就是crlh的實(shí)際應(yīng)用。雙波段分支線耦合器用普通微帶線制作的分支耦合器，通常相應(yīng)于其基平

23、頻(fl)和其奇數(shù)倍(3fl) 的頻率。利用crl11傳輸線的非線性相位響應(yīng)特性，可以實(shí)現(xiàn)所需雙頻(fl, f2) 的設(shè)計(jì)。圖11( a)為采用crlh設(shè)計(jì)的雙波段分支線耦合器的實(shí)物圖，圖11( b)為 其s參數(shù)測(cè)試圖。圖(ll)crlh雙波段分支線耦合器(2)小型化微帶天線利用crlh特性可以人人縮小微帶天線的尺寸。如圖12所示圖(12)crlh微帶天線(2)紅外及可見(jiàn)光波段的lhm光頻段負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)是光頻段lhms實(shí)現(xiàn)的詢捉。其中，負(fù)介電 常數(shù)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較容易，因任何一種金屬當(dāng)電磁波的頻率低于其等離了體諧振 頻率時(shí)，介電常數(shù)均為負(fù)。而光頻段負(fù)磁導(dǎo)率的獲得就很困難。白然界屮人

24、多數(shù) 磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率均大于零，口磁響應(yīng)具有高頻截止特性，如鐵磁物質(zhì)在可見(jiàn)光和紅外頻段將失去磁性，所以獲得thz或更高頻段的磁響應(yīng)無(wú)論對(duì)thz光學(xué)還是 應(yīng)用都有非常重大的意義。1)紅外及可見(jiàn)光波段負(fù)介電常數(shù)的實(shí)現(xiàn)通常金屬的等離子頻率在可見(jiàn)光到紫外光波段，而周期性排列的金屬線陣列能 夠調(diào)整材料的電子密度，降低其等離子體頻率3p,其有效等離子體頻率可由公 式3 2p=2兀c20/a21 n (a/r)表示，其中r為金屬線半徑，a為晶格常數(shù)，co為真空 中光速。因此調(diào)整陣列的晶格常數(shù)和金屬桿半徑對(duì)實(shí)現(xiàn)紅外、thz波段的負(fù)介電 響應(yīng)o zhang等采用usl系統(tǒng)(圖13)合成了人長(zhǎng)徑比的金屬線陣列，使

25、等離了頻 率出現(xiàn)在0. 7thz0其制備工藝為：首先攜帶桿陣列圖案信息的紫外光束被凸透鏡 聚焦在液體樹(shù)脂表面，該液體樹(shù)脂包含有單體和光引發(fā)劑，被紫外光照射后可光 交聯(lián)。在紫外光照射下，液體樹(shù)脂中形成了桿陣列的固體聚合物薄層。在降低升降機(jī)的過(guò)程屮，薄層逐漸堆砌起來(lái)形成三維的固體聚合物。 隨示把聚合結(jié)構(gòu)浸入到丙酮屮以移去未交聯(lián)的樹(shù)脂，再放入紫外爐屮固化增強(qiáng)桿 的機(jī)械強(qiáng)度，固化后的陣列結(jié)構(gòu)從內(nèi)酮中顯現(xiàn)出來(lái)。最后向聚合結(jié)構(gòu)噴射一層金 的薄膜以確保適當(dāng)?shù)膫鲗?dǎo)性。金屬線陣列的品格常數(shù)為120u m,直徑為30 p m, 金屬線長(zhǎng)1mm,且金的厚度為0. 3 u m,遠(yuǎn)大于金在ithz時(shí)的趨狀深度(80nm

26、)。因 此在此頻段內(nèi)視陣列為金屬線而不考慮里面的聚合物。該實(shí)驗(yàn)采用化學(xué)生長(zhǎng)的方 法制備金屬線陣列，成本低且容易實(shí)現(xiàn)，為紅外、可見(jiàn)光波段左手材料的實(shí)用打下 了基礎(chǔ)。圖(13) u sl系統(tǒng)和金屬線陣列2)紅外及可見(jiàn)光波段負(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)采用微結(jié)構(gòu)單元替代磁性材料屮的原子和分子可實(shí)現(xiàn)高頻磁響應(yīng)。pendry理 論研究表明當(dāng)單元尺寸srrs按比例縮小時(shí)，其磁響應(yīng)可擴(kuò)展到紅外波段而不能 擴(kuò)展到可見(jiàn)光波段srrs w以看作由電感和電容組成lc電路，當(dāng)srrs減小到一定 尺寸時(shí)，其電感l(wèi)和電容c不再繼續(xù)減小，諧振頻率趨近于某一定值。即采用金屬 微結(jié)構(gòu)理論上不能實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光波段磁響應(yīng)。另外，損耗也是限制可見(jiàn)光波

27、段磁響 應(yīng)的原因。當(dāng)結(jié)構(gòu)單元尺寸少趨膚深度可比較時(shí)，其電阻損耗和趨膚深度問(wèn)題變 得更為突出。2004年t. j. yen等采用光刻蝕技術(shù)加工制備了結(jié)構(gòu)單元為30 u m 左右的銅srrs陣列(圖14a),使負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)首次達(dá)到了紅外波段。制備的不同 系列的srrs樣品的幾何參數(shù)為線寬4 u m或6 u m,內(nèi)外環(huán)間距2 u m或3 u m,外環(huán) 邊長(zhǎng)分別為26 u叭32 u m和36 u m,晶格常數(shù)分別為36 u m、44 u m和50 u msrrs 的材質(zhì)為銅，厚度為3u m,其基板為400 u m厚的石英。實(shí)驗(yàn)屮采用橢偏測(cè)量?jī)x， 利丿ij橢闘偏光法測(cè)®經(jīng)樣品表面反射光的s偏振

28、分量和p偏振分量的復(fù)反射系 數(shù)。樣品在入射光的激勵(lì)下產(chǎn)生了 ithz磁響應(yīng)，且磁響應(yīng)強(qiáng)度比自然磁性材料大 1個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)將srrs與山電感和電容組成的ix諧振電路(olc=(lc)-l/2) 相類比。入射電磁波滿足以下兩個(gè)條件z時(shí)即可與lc諧振電路一樣發(fā)生諧 振：電磁波的e分最有垂直于電容器平板的分最；電磁波的h分量有一個(gè)垂在 于電感線圈所在平面的分量。如果條件滿足，則線圈中的誘導(dǎo)電流可以比作原 子中的環(huán)形電流，從而激發(fā)1個(gè)磁場(chǎng)，該誘導(dǎo)磁場(chǎng)反作用于外加磁場(chǎng)，可產(chǎn)生負(fù)的 磁導(dǎo)率。據(jù)此linden等利用電子束刻蝕技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)單元尺寸為300nm左右 的單個(gè)金srrs（圖14b）,并在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量

29、了這種樣站的電磁波透射和反射行為。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其磁響應(yīng)頻率提高到了令人興奮的loothz,該工作為光波段負(fù)折射的 實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。通常認(rèn)為，比目前實(shí)現(xiàn)的微波段左手材料的頻率高4個(gè)數(shù)儀級(jí) 的光波段（數(shù)百太赫茲）左手材料由于其歐姆損耗是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但本實(shí)驗(yàn)屮材料 的紅外透射測(cè)試表明，其透射率高達(dá)90%。linden等認(rèn)為這是材料由極薄金屬制 備的微結(jié)構(gòu)組成，從而損耗相對(duì)較小。圖（14）負(fù)磁導(dǎo)材料的微結(jié)構(gòu)單元2005年shuangzhang等采用金屬介電多層蒸發(fā)沉積以及光刻蝕技術(shù)制備周期 性排列的金u形環(huán)陣列（圖14c）,-其周期為600nm,u形環(huán)的面積和其兩個(gè)腳的尺 寸分別確定了環(huán)的等效電感和電

30、容。樣品尺寸變化引起電容和電感的變化進(jìn)而使 諧振頻率發(fā)牛變化。當(dāng)入射波為橫電磁波（tm波），即入射波的磁場(chǎng)垂直于u形環(huán) 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)牛磁諧振。該工作實(shí)現(xiàn)了材料在屮紅外60ti1z波段的磁響應(yīng)，并理論提 出了通過(guò)減小電容和電感、優(yōu)化現(xiàn)有樣胡結(jié)構(gòu)和尺寸以獲得近紅外230thz磁響 應(yīng)實(shí)現(xiàn)的可能性。雖然微電子刻蝕技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，但由于理論和實(shí)驗(yàn)條件的限 制，可見(jiàn)光及紅外波段lhms的實(shí)現(xiàn)還具有很人的挑戰(zhàn)性。研究者們也提出了新的 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光及紅外波段lhmso如普渡（purdue）大學(xué)的shalaev理論證明 金屬/電介質(zhì)復(fù)合材料可用于制備可見(jiàn)和紅外波段lhmso另外一個(gè)別出心裁的方 法就是利用單軸或雙軸晶體屮非常光的異常折射來(lái)實(shí)現(xiàn)光頻負(fù)折射效應(yīng)。五lhm的應(yīng)用制造前景隨著對(duì)左手材料的制備和物理特性等研究的深入，人們也開(kāi)始嘗試研究開(kāi)發(fā) 左手材料的應(yīng)用。微波段左手材料可廣泛應(yīng)用于微波器件，如微