负折射率超材料

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负折射率超材料令光線以和有正折射率物質不同的方式折射或彎曲。

负折射率超材料负折射率材料NIM)是一种人造光学结构。它的折射率在一些频率范围内是负值。[1]而目前没有任何天然材料拥有这一属性。广义地说,超材料可以指任何合成材料,但一般上指的是拥有负折射率的一类材料,这些材料具有不寻常的光学属性和奇异的性质。[2]

性质[编辑]

A split-ring resonator array arranged to produce a negative index of refraction, constructed of copper split-ring resonators and wires mounted on interlocking sheets of fiberglass circuit board.
The total array consists of 3 by 20×20 unit cells with overall dimensions of 10×100×100 milimeters.[3][4] The height of 10 milimeters measures a little more than six subdivision marks on the ruler, which is marked in inches.
Credit: NASA Glenn Research Center.

超材料由俄罗斯理论家Victor Veselago于1967年首次提出。[5]。当时,这种材料被称为“左手材料”或“负折射率”材料。然而,直到33年后,第一个实用的超材料才被制造出来。[1][2][5][6]

材料[编辑]

第一个实用的超材料工作于微波波段。外形上,它像一个个水晶宫格子,格子的间距小于微波波长。

光频带[编辑]

应用[编辑]

负折射率材料在传统领域中的应用如无线电,电磁波接收系统等,用于制作超材料天线。其他方面的应用正在研究中,如电磁波,微波吸收装置、小型谐振腔波导管相位补偿器微波透镜等等。它们借由超材料的性质可以不受衍射效应的限制。 [7][8][9][10]

在可见光范围,超材料制成的透镜可以避开衍射效应的限制,用来研发毫微光刻技术来制备纳米电路。这会在生物医学以及亚波长影印技术方面大展宏图。 [10]

负的介电常数和磁导率[编辑]

复合材料的频带[编辑]

左手材料的描述[编辑]

各向同性与负参数[编辑]

负折射率的实验验证[编辑]

NIM的基本的电磁特性[编辑]

左手材料的负折射率[编辑]

对可见光的影响[编辑]

负折射率材料的影响[编辑]

当导磁率μ= 1时,负折射率材料会导致电动力学方程计算结果的改变。当μ”的值大于1时,会影响到包括司乃耳定律多普勒效应切伦科夫辐射菲涅耳方程以及Fermat原理[11]

由于折射率是光学中的一个中心概念,改变折射率会重新认识、定义一些光学定律.[10]

反常现象[编辑]

高斯脉冲光在通过分散介质时会增强。[12][13] However the speed of transmitting information is always limited to c.[12][14]

学术研究[编辑]

超材料是美国政府广泛研究的领域,包括美国空军,美国军队,以及美国海军航空系统司令部。同时,众多的院校也在研究这一课题。

参见[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为AAAS2的引用提供文字
  2. ^ 2.0 2.1 Engheta, N.; Ziolkowski, R. W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley & Sons. 2006. Chapter 1. ISBN 978-0-471-76102-0. 
  3. ^ Shelby, R. A.; Smith, D. R.; Shultz, S.; Nemat-Nasser, S. C. Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial. Applied Physics Letters. 2001, 78 (4): 489. Bibcode:2001ApPhL..78..489S. doi:10.1063/1.1343489. 
  4. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为comp的引用提供文字
  5. ^ 5.0 5.1 Veselago, V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ. Soviet Physics Uspekhi. 1968, 10 (4): 509–514. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699. 
  6. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为NIST-metamat的引用提供文字
  7. ^ Engheta, N.; Ziolkowski, R. W. A positive future for double-negative metamaterials. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005, 53 (4): 1535. Bibcode:2005ITMTT..53.1535E. doi:10.1109/TMTT.2005.845188. 
  8. ^ Beruete, M.; Navarro-Cía, M.; Sorolla, M.; Campillo, I. Planoconcave lens by negative refraction of stacked subwavelength hole arrays. Optics Express. 2008, 16 (13): 9677–9683. Bibcode:2008OExpr..16.9677B. doi:10.1364/OE.16.009677. PMID 18575535. 
  9. ^ Alu, A.; Engheta, N. Guided Modes in a Waveguide Filled with a Pair of Single-Negative (SNG), Double-Negative (DNG), and/or Double-Positive (DPS) Layers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004, 52: 199. Bibcode:2004ITMTT..52..199A. doi:10.1109/TMTT.2003.821274. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Shalaev, V. M. Optical negative-index metamaterials. Nature Photonics. 2007, 1: 41. Bibcode:2007NaPho...1...41S. doi:10.1038/nphoton.2006.49. 
  11. ^ Veselago, Viktor G. Electrodynamics of materials with negative index of refraction (pay wall). Physics-Uspekhi. 2003, 46 (7): 764. Bibcode:2003PhyU...46..764V. doi:10.1070/PU2003v046n07ABEH001614. 
    • Alternate source at:
    • Lim Hock; Ong Chong Kim, and Serguei Matitsine. Electromagnetic Materials:. Proceedings of the Symposium F (ICMAT 2003). SUNTEC, Singapore: World Scientific. 7–12 December 2003: 115–122. ISBN 978-981-238-372-3.  paper by Victor G. Veselago. Electrodynamics of materials with negative index of refraction.
  12. ^ 12.0 12.1 Dolling, Gunnar; Christian Enkrich, Martin Wegener, Costas M. Soukoulis, Stefan Linden. Simultaneous Negative Phase and Group Velocity of Light in a Metamaterial. Science. 2006, 312 (5775): 892–894. Bibcode:2006Sci...312..892D. doi:10.1126/science.1126021. PMID 16690860. 
  13. ^ Garrett, C. G. B.; D. E. McCumber. Propagation of a Gaussian Light Pulse through an Anomalous Dispersion Medium. Phys. Rev. A. 1969-09-25, 1 (2): 305–313. Bibcode:1970PhRvA...1..305G. doi:10.1103/PhysRevA.1.305. 
  14. ^ Stenner, M. D.; Gauthier, D. J.; Neifeld, M. A. The speed of information in a 'fast-light' optical medium. Nature. 2003-10, 425 (6959): 695–8. Bibcode:2003Natur.425..695S. doi:10.1038/nature02016. PMID 14562097. 
  15. ^ FOM Institute. 

拓展阅读[编辑]

外部链接[编辑]