负折射率超材料

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负折射率超材料令光線以迥异于平常的正折射率材料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,它的折射率对于一定频率范围内的电磁波是负值[1]。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]负折射率超材料由基本结构单元周期性排列构成,基本结构单元称为单胞,单胞的大小明显小于光的波长。单胞在实验室最早由电路板材料制成,即由导线和电介质制成。通常情况下,这些人工制备的单胞按特定的重复形式堆叠或在平面上排列起来,组成单个的超材料。

负折射率超材料的单胞对光的响应是在构筑材料之前预先设计好的,材料总的对光的响应主要由单胞的几何形状决定,行为与其组分对光的响应有着根本的不同。超材料是“从下到上合成的有序宏观材料”,具有其组分所不具有的涌现性质。[3]

负折射率超材料与以下术语为同义语:左手材料或左手介质(LHM)、后向波(BW)介质、双负性(DNG)材料超材料等 [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.[4][5] 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.

负折射率超材料由俄罗斯理论物理学家维克托·韦谢拉戈英语Victor Veselago于1967年在理论上首次提出[6]。当时,这种材料被称为“左手材料”或“负折射率”材料,其光学性质与玻璃空气等透明物质的性质相反,光在这种材料中的弯曲和折射行为不同寻常,出人意料,背离人类的直觉。然而,直到33年后,第一个实用的超材料才被制造出来。[1][2][6][7]

负折射率超材料用于以新的方式控制电磁波。比如,天然物质的光学和电磁性质通过化学来改变,而超材料通过单胞的几何排列来控制电磁性质。单胞有序排列的线度小于电磁波的某一波长。人工的单胞对波源的电磁辐射有响应。超材料对电磁波的总的响应比通常材料更宽广。[1][2][7]

通过改变单胞的形状、大小和构型,可以改变材料的电容率磁导率,由此控制电磁波的传输。电容率和磁导率这两个参数决定了电磁波在物质中的波的传播。调控这两个参数可以使材料的折射率为负值或零,而通常的材料的折射率为正值。超材料的性质依赖于人的预先设计,其光学性质是透镜平面镜和常规材料所不及。[1][2][6][7]

反向传播[编辑]

在负折射率超材料中,电磁波可以反向传播,这使得衍射极限下分辨成像成为可能,此即为亚波长成像

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。 [8][9][10][11]

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。 [11]

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[12]

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.[11]

反常现象[编辑]

高斯脉冲光在通过分散介质时会增强。[13][14] However the speed of transmitting information is always limited to c.[13][15]

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 2.2 2.3 2.4 Engheta, N.; Ziolkowski, R. W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley & Sons. 2006. Chapter 1. ISBN 978-0-471-76102-0. 
  3. ^ Shivola, Ari. "Electromagnetic Emergence in Metamaterials: Deconstruction of terminology of complex media". Advances in Electromagnetics of Complex Media and Metamaterials. Eds. Saïd Zouhdi, Ari Sihvola, Mohamed Arsalane. pgs. 3-18 Kluewer Academic. 2002.
  4. ^ 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. 
  5. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为comp的引用提供文字
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 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. 
  7. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为NIST-metamat的引用提供文字
  8. ^ 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. 
  9. ^ 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. 
  10. ^ 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. 
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 Shalaev, V. M. Optical negative-index metamaterials. Nature Photonics. 2007, 1: 41. Bibcode:2007NaPho...1...41S. doi:10.1038/nphoton.2006.49. 
  12. ^ 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.
  13. ^ 13.0 13.1 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. 
  14. ^ 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. 
  15. ^ 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. 
  16. ^ FOM Institute. 

拓展阅读[编辑]

外部链接[编辑]