超材料

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铜质开环谐振器构成的负折射率超材料。铜箔附着于玻璃纤维电路板上。整个阵列包括20*20个元件,总体积为10×100×100 mm。 [1][2]

超材料指的是一类具有特殊性质的人造材料,这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质,比如让光、电磁波改变它们的通常性质,而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的成分上没有什么特别之处,它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构,大小尺度小于它作用的波长,因此得以对波施加影响[3][4][5]。 对于超材料的初步研究是负折射率超材料[6][7][8]


超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景,从高接收率天线,雷达反射罩甚至是地震预警。[9][10][11][12][13]

超材料是一个跨学科的课题,囊括电子工程,凝聚态物理,微波,光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等等[4]

电磁超材料[编辑]

负折射率超材料[编辑]

超材料可以有一个负的介电常数和磁导率负。如果两者都为负,则折射率为负。当折射率为负值,这是可能的电磁场在微波频率的传播。[14]

超材料的分类[编辑]

其实,很多人都反对超材料, 超材料解释的基础在于其等效的介电常数和磁导率,这就是一种本构关系。遗憾的是,这些材料对于不同形式的入射波会有不同的响应,而相关的研究应该归功于一个叫做频率选择表面的技术(frequency selective surface),这个技术是有已故的美国学者B.A.Munk和其研究伙伴创立的。Smith 原本是研究光子晶体的,他们在计算光子晶体的性质的时候运用了一般材料具有本构关系的特性;但是如果你用场的理论来解释的话,原本就比本构关系要严谨很多,也就是运用周期矩量法(Periodic moments method),更能解释周期结构的电磁学特性,并且能够顾很快的应用到其设计中去。

周期排列的结构可以看成是一个线性的系统,在一个周期信号的激励下,需要一定的时间才能达到其相应的稳态,这点却很少有人考虑。传统材料的分子原子结构非常的小,在一般的微波辐射之下,很快就达到了稳态,我们所谓的本构关系才具有相应的意义。然而,无论是所谓的超材料,还是频率选择表面,几乎所有相关的研究都在避免个问题。

历史[编辑]

超材料是在二战后和微波工程中的人造介质一同发展起来的,但是其萌芽可追溯到19世纪末期人们对控制电磁波的渴望。

应用[编辑]

太赫兹领域[编辑]

光量子领域[编辑]

折射率调节[编辑]

天线[编辑]

非线性材料[编辑]

超透镜[编辑]

地震测量[编辑]

参见[编辑]

Academic journals
Metamaterials books

参考[编辑]

  1. ^ 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.  [失效連結]
  2. ^ Smith, D. R.; Padilla, WJ; Vier, DC; Nemat-Nasser, SC; Schultz, S. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity. Physical Review Letters. 2000, 84 (18): 4184–7. Bibcode:2000PhRvL..84.4184S. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4184. PMID 10990641. 
  3. ^ Engheta, Nader; Richard W. Ziolkowski. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley & Sons. 2006-06: xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. ISBN 978-0-471-76102-0. 
  4. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为metamaterialplasmonics1的引用提供文字
  5. ^ Smith, David R.. What are Electromagnetic Metamaterials?. Novel Electromagnetic Materials. The research group of D.R. Smith. 2006-06-10 [2009-08-19]. 
  6. ^ Shelby, R. A.; Smith, DR; Schultz, S; Smith D.R; Shultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction. Science. 2001, 292 (5514): 77 |pages=|at=多余 (帮助). Bibcode:2001Sci...292...77S. doi:10.1126/science.1058847. PMID 11292865.  |last1=|last=只需其一 (帮助); |first1=|first=只需其一 (帮助)
  7. ^ Pendry, John B.. Negative Refraction. Contemporary Physics (Princeton University Press). 2004, 45 (3): 191–202 [2009-08-26]. Bibcode:2004ConPh..45..191P. doi:10.1080/00107510410001667434. ISBN 0-691-12347-0. 
  8. ^ Veselago, V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of [permittivity] and [permeability]. Soviet Physics Uspekhi. 1968, 10 (4): 509–514. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699. 
  9. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为control_elastic_waves的引用提供文字
  10. ^ Smith, David R; Research group. Novel Electromagnetic Materials program. 2005-01-16 [2009-08-17]. 
  11. ^ Rainsford, Tamath J.; Samuel P. Mickan, and D. Abbott. T-ray sensing applications: review of global developments. Proc. SPIE (Conference Location: Sydney, Australia 2004-12-13: The International Society for Optical Engineering). 9 March 2005,. 5649 Smart Structures, Devices, and Systems II (Poster session): 826 |pages=|at=多余 (帮助). doi:10.1117/12.607746. 
  12. ^ Cotton, Micheal G. Applied Electromagnetics. 2003 Technical Progress Report (NITA – ITS) (Boulder, CO, USA: NITA – Institute for Telecommunication Sciences). 2003-12,. Telecommunications Theory (3): 4–5 [2009-09-14]. 
  13. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为radiation-properties的引用提供文字
  14. ^ Prati, Enrico. Microwave propagation in round guiding structures based on double negative metamaterials. International journal of infrared and millimeter waves. 2006, 27 (9): 1227––1239. doi:10.1007/s10762-006-9134-3. 

外部链接[编辑]

Educational pages on metamaterials:
Internet portals:
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