負(fù)折射率材料

1、超穎材料(Metamaterials)的發(fā)展李雄SC08009037機(jī)密機(jī)械與精密儀器系本人博士階段的課題方向?yàn)槌f材料(Metamaterials)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。Metamaterials這一概念在提出之初，通常指的是介電常數(shù)(&)和磁導(dǎo)率(卩)都是負(fù)數(shù)的材料(物質(zhì))，因此它又稱負(fù)折射率材料、左手材料或雙負(fù)材料，這在自然界中并不存在。然而隨著這一新興領(lǐng)域的發(fā)展，其研究范圍被不斷擴(kuò)展，目前，它的范圍已包含負(fù)折射率材料，單負(fù)材料(人工復(fù)介電常數(shù)材料()和人工復(fù)磁導(dǎo)率材料)，人工超低折射率材料和超高折射率材料等等。Metamaterials是本世紀(jì)物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)新的學(xué)術(shù)詞匯，正因?yàn)槠渚哂凶匀?/p>

2、界物質(zhì)不存在的奇異特性，因而受到廣泛關(guān)注，并已在其相關(guān)的幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用前景。1、Metamaterials的發(fā)展概述拉丁語(yǔ)“meta-”，可以表達(dá)“超出、亞、另類”等含義。對(duì)于metamaterial一詞，目前尚未有一個(gè)嚴(yán)格的、權(quán)威的定義，各種不同的文獻(xiàn)上給出的定義也各不相同。但一般文獻(xiàn)中都認(rèn)為metamaterial是“具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料”。從這一定義中，我們可以看到metamaterial重要的三個(gè)重要特征：metamaterials通常是具有新奇人工結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料；metamaterials具有超常的物理性質(zhì)(往往是自然界的材料

3、中所不具備的)；metamaterials性質(zhì)往往不主要決定與構(gòu)成材料的本征性質(zhì)，而決定于其中的人工結(jié)構(gòu)。盡管metamaterials的概念出現(xiàn)于21世紀(jì)，但追溯其源頭則可以找到上一世紀(jì)中后期幾位杰出科學(xué)家的“靈光一閃”。1967年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克托韋謝拉戈(VictorVeselago)提出，如果有一種材料同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，這種物質(zhì)將能夠顛覆光學(xué)世界，它能夠使光波看起來(lái)如同倒流一般，并且在許多方面表現(xiàn)得有違常理的行為。然而，眾所周知，同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的預(yù)言未能得到科學(xué)界的重視，到了20世紀(jì)90年代，Vesela

4、go的猜想幾乎被人遺忘。直到20世紀(jì)90年代中后期，英國(guó)物理學(xué)家JohnB.Pendry的工作使韋謝拉戈物質(zhì)的研究出現(xiàn)了柳暗花明的前景。Pendry將metamaterials的思想（盡管當(dāng)時(shí)metamaterials詞未被使用）弓I入了負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的材料的構(gòu)造。他的一個(gè)創(chuàng)新性思路是，一種材料，不僅僅只認(rèn)為是一個(gè)均勻的塊體，它還可以擁有一些細(xì)小的單元。換句話說(shuō)，材料的電磁特性可以從這些小結(jié)構(gòu)單元中獲得，這些小結(jié)構(gòu)合力產(chǎn)生了原本不可能出現(xiàn)的效應(yīng)?；谶@樣的思想，Pendry先后提出了可能具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)單元。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)科學(xué)家DavidR.Smith等人從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了這

5、些結(jié)構(gòu)單元的負(fù)折射。Metamaterials詞，連同具有負(fù)折射的“左手材料”一起引起了世界科學(xué)界的關(guān)注?！俺牧稀敝匾饬x不僅僅體現(xiàn)在幾類主要的人工材料上，也體現(xiàn)在它提供了一種全新的思維方法一一這種思維方法對(duì)材料科學(xué)家來(lái)說(shuō)是非常寶貴的，因?yàn)樗鼮樾滦凸δ懿牧系脑O(shè)計(jì)提供了一個(gè)廣闊的空間：昭示人們可以在不違背基本的物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”。當(dāng)然Metamaterials能在最近十年內(nèi)異軍突起，成為學(xué)術(shù)和工程界的研究焦點(diǎn)，不僅僅因?yàn)槠淝擅畹奈锢硭枷?，也在于它已在多個(gè)相關(guān)實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域顯現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。2000年，Pendry提出通過(guò)M

6、etamaterials實(shí)現(xiàn)電磁表面波倏逝波的放大，可以克服一直以來(lái)困擾傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限問(wèn)題，從而得到可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)完美成像的超透鏡（Superlense。這一思想在微生物成像，超高精度納米光刻等領(lǐng)域的影響是巨大的。從此，應(yīng)用Metamaterials實(shí)現(xiàn)超透鏡的研究方向因應(yīng)而生。2002年，法國(guó)科學(xué)家Enoch應(yīng)用金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種超低折射率介質(zhì)，并將其應(yīng)用于微波天線，使得天線的方向性得到巨大提高。文章應(yīng)用簡(jiǎn)單的Snell定理對(duì)其進(jìn)行了很好的解釋，從而激發(fā)了各國(guó)微波通信工作者對(duì)其巨大的興趣。應(yīng)用Metamaterials思想設(shè)計(jì)高性能微波天線的全新領(lǐng)域從此誕生。2006年，Pend

7、ry和Smith等人應(yīng)用空間變換的方法，得出一個(gè)結(jié)論：可以通過(guò)設(shè)計(jì)折射率的分布來(lái)對(duì)物體實(shí)現(xiàn)隱身，即電磁屏蔽（cloak）。同年，該思想就得到了微波實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。此結(jié)果一經(jīng)發(fā)表，在科學(xué)界引起了巨大反響。各國(guó)報(bào)道紛紛將其與哈利波特的隱身衣相比，2008年，Pendry也因該項(xiàng)成果被英國(guó)新科學(xué)家雜志評(píng)選為2008年8位科學(xué)英雄之一。自06年超材料實(shí)現(xiàn)隱身技術(shù)的提出到目前09年，短短的3年時(shí)間內(nèi)，這一領(lǐng)域的發(fā)展可以用突飛猛進(jìn)來(lái)形容，聲學(xué)波的clock，水波clock，乃至物質(zhì)波的clock的思想被相繼提出，一個(gè)全新的隱身技術(shù)領(lǐng)域正在逐步形成。2、Metamaterials相關(guān)的重要文獻(xiàn)應(yīng)該說(shuō)有關(guān)Meta

8、materials的重要文獻(xiàn)有很多，我在這里僅對(duì)本人認(rèn)為的具有奠基意義的文獻(xiàn)作下列舉：首先當(dāng)屬Veselago68年發(fā)表的經(jīng)典之作，在這篇文獻(xiàn)中，負(fù)折射率的思想首次被提出，并對(duì)其性質(zhì)做了一定的推導(dǎo)。該作67年發(fā)表于俄語(yǔ)版的雜志，68年被翻譯成英文。該文獻(xiàn)日前查到引用次數(shù)已達(dá)2985次，其原文在附錄中。1V.G.Veselago,Theelectrodynamicsofsubstanceswithsimultaneouslynegativevaluesofand,pSov.Phys.Usp.,1968,10:509514.68年，超材料概念的提出并沒(méi)有受到科學(xué)界的關(guān)注，近年來(lái)這一領(lǐng)域的興起，其最

9、大的功勞必然要?dú)w功于Pendry分別在96年和98年發(fā)表的兩篇文章,這兩篇文章分別用兩種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率。2J.B.Pendry,A.J.Holden,W.J.Stewart,andI.Youngs,Extremelylowfrequencyplasmonsinmetallicmesostructures,Phys.Rev.Lett.,1996,76:47734776.J.B.Pendry,A.J.Holden,D.J.Robbins,andW.J.Stewart,Magnetismfromconductorsandenhancednonlinearphenomena,

10、IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,1999,47(11):20752084.2001年Shelby等人將調(diào)介電常數(shù)和調(diào)磁導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)融合在一起，實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了負(fù)折射率的存在。R.A.Shelby,D.R.Smith,andS.Schultz,Experimentalverificationofanegativeindexofrefraction,Scienee,2001,292:7779.物理思想固然重要，但實(shí)際應(yīng)用才是一個(gè)領(lǐng)域長(zhǎng)盛不衰的源泉。下面三篇文獻(xiàn)分別列舉了Metamaterials在超透鏡、天線和電磁隱身三大應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用，可以說(shuō)是這三個(gè)方向的經(jīng)典奠基文獻(xiàn)J.

11、B.Pendry,Negativerefractionmakesaperfectlens,Phys.Rev.Lett.2000,85(18):3966-3969.S.Enoch,G.Tayeb,P.Sabouroux,N.Gurin,andFfeVincent,Ametamaterialfordirectiveemission,Phys.Rev.Lett.2002,89(21):213902-1213902-4.J.B.Pendry,D.Schurig,andD.R.Smith,ControllingElectromagneticFields,Science2006,312,1780.3、可能

12、的創(chuàng)新突破口或研究新起點(diǎn)Metamaterials作為近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科，無(wú)論在學(xué)術(shù)理論上還是在工程應(yīng)用上必然還存在許多亟待解決的問(wèn)題。首先就學(xué)術(shù)理論上考慮，早在本世紀(jì)初，Metamaterials的概念剛剛建立的時(shí)候，就受到了很多人的質(zhì)疑，有人提出負(fù)折射這一概念本身就以原有的經(jīng)典理論包括因果律存在矛盾。直到09年，還有科學(xué)家專門寫了一本書(shū)來(lái)討論Metamaterials這一概念的提出是否真的必要。雖然近年來(lái)，Metamaterials已基本被多數(shù)科研工作者認(rèn)可，但以上的種種矛盾都預(yù)示著其在理論基礎(chǔ)上仍存在許多值得進(jìn)一步深入研究探討的東西。其次，在工程應(yīng)用中，Metamaterials

13、還有很多需要解決的問(wèn)題。第一，從微波頻段向光頻段拓展。我們知道由于工藝加工條件的限制，以及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的局限性，使得目前有關(guān)超穎材料的實(shí)驗(yàn)大多在微波波段。雖然05,06年以來(lái)，也有一些新的結(jié)構(gòu)被提出，并在光波段得到了一定的進(jìn)展，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。第二，損耗問(wèn)題。由于超穎材料大多采用金屬結(jié)構(gòu)，而金屬本身存在損耗問(wèn)題，損耗問(wèn)題是限制材料實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)最大阻礙。第三，帶寬問(wèn)題。就目前來(lái)說(shuō)，由于復(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)通常采用諧振結(jié)構(gòu)，而諧振結(jié)構(gòu)的帶寬通常是較小的，如何設(shè)計(jì)大帶寬的結(jié)構(gòu)材料，一直以來(lái)是困擾研究者的一大難題。第四，新領(lǐng)域的拓展。盡管超穎材料在完美透鏡、高性能天線，以及物體隱身等領(lǐng)域顯現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景，并使得其成為近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)，但我們相信，超穎材料的應(yīng)用絕對(duì)不會(huì)僅限于此，因此，如何拓展超穎材料的應(yīng)用領(lǐng)域也是全世界相關(guān)科研工作者必須要思考的問(wèn)題。問(wèn)題往往是一個(gè)學(xué)科前進(jìn)的動(dòng)力，也很可能是另一個(gè)學(xué)科的起點(diǎn)，因此，無(wú)論是現(xiàn)有的還是將來(lái)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，都將指引我們相關(guān)研究者前進(jìn)的方向。4、選題的的可行性分析對(duì)于一個(gè)新興的學(xué)科方向，總是會(huì)讓人激動(dòng)又讓人不安。激動(dòng)是因?yàn)榭梢宰咴谑澜缈萍佳芯康那把兀话彩且驗(yàn)閷?duì)課題進(jìn)展的擔(dān)心。透過(guò)這段時(shí)間的調(diào)研，使我對(duì)這一研究方向有了大概的了解，并被它全新的物理思