負折射率超材料

負折射率超材料或負折射率材料（NIM）是一種人造光學結構，它的折射率對於一定頻率範圍內的電磁波是負值。目前沒有任何天然材料擁有這一屬性。廣義地說，超材料可以指任何合成材料，但一般上指的是擁有負折射率的一類材料，這些材料具有不尋常的光學屬性和奇異的性質。^[1]負折射率超材料由基本結構單元週期性排列構成，基本結構單元稱為單胞，單胞的大小明顯小於光的波長。單胞在實驗室最早由印刷電路板材料製成，即由導線和電介質製成。通常情況下，這些人工製備的單胞按特定的重複形式堆疊或在平面上排列起來，組成單個的超材料。

負折射率超材料的單胞對光的響應是在構築材料之前預先設計好的，材料總的對光的響應主要由單胞的幾何形狀決定，行為與其組分對光的響應有着根本的不同。超材料是「從下到上合成的有序宏觀材料」，具有其組分所不具有的湧現性質。^[2]

負折射率超材料與以下術語為同義語：左手材料或左手介質(LHM)、後向波(BW)介質、雙負性(DNG)材料超材料等 ^[1]。

性質

負折射率超材料由俄羅斯理論物理學家維克托·韋謝拉戈（英語：Victor Veselago）於1967年在理論上首次提出^[5]。當時，這種材料被稱為「左手材料」或「負折射率」材料，其光學性質與玻璃、空氣等透明物質的性質相反，光在這種材料中的彎曲和折射行為不同尋常，出人意料，背離人類的直覺。然而，直到33年後，第一個實用的超材料才被製造出來。^[1]^[5]^[6]

負折射率超材料用於以新的方式控制電磁波。比如，天然物質的光學和電磁性質通過化學來改變，而超材料通過單胞的幾何排列來控制電磁性質。單胞有序排列的線度小於電磁波的某一波長。人工的單胞對波源的電磁輻射有響應。超材料對電磁波的總的響應比通常材料更寬廣。^[1]^[6]

通過改變單胞的形狀、大小和構型，可以改變材料的電容率和磁導率，由此控制電磁波的傳輸。電容率和磁導率這兩個參數決定了電磁波在物質中的波的傳播。調控這兩個參數可以使材料的折射率為負值或零，而通常的材料的折射率為正值。超材料的性質依賴於人的預先設計，其光學性質是透鏡、平面鏡和常規材料所不及。^[1]^[5]^[6]

反向傳播

在負折射率超材料中，電磁波可以反向傳播，這使得繞射極限下分辨成像成為可能，此即為亞波長成像。

材料

第一個實用的超材料工作於微波波段。外形上，它像一個個水晶宮格子，格子的間距小於微波波長。

光頻帶

應用

負折射率材料在傳統領域中的應用如無線電，電磁波接收系統等，用於製作超材料天線。其他方面的應用正在研究中，如電磁波，微波吸收裝置、小型諧振腔、波導管、相位補償器、微波透鏡等等。它們藉由超材料的性質可以不受繞射效應的限制。 ^[7]^[8]^[9]^[10]

在可見光範圍，超材料製成的透鏡可以避開繞射效應的限制，用來研發毫微光刻技術來製備納米電路。這會在生物醫學以及亞波長影印技術方面大展宏圖。 ^[10]

負的介電常數和磁導率

複合材料的頻帶

左手材料的描述

各向同性與負參數

負折射率的實驗驗證

NIM的基本的電磁特性

左手材料的負折射率

對可見光的影響

負折射率材料的影響

當導磁率μ= 1時，負折射率材料會導致電動力學方程式計算結果的改變。當μ的值大於1時，會影響到包括斯涅耳定律、都卜勒效應、切倫科夫輻射、菲涅耳方程式以及費馬原理。 ^[11]

由於折射率是光學中的一個中心概念，改變折射率會重新認識、定義一些光學定律^[10]。

反常色散現象

高斯光脈衝在通過反常色散介質時會出現反常色散現象（隨着波長增加，折射率增加，可能導致群速度大於光速的情況被稱作反常色散現象）^[12]^[13]。但資訊的傳遞速度總是被限制在光速以下^[12]^[14]。

學術研究

超材料是美國政府廣泛研究的領域，包括美國空軍，美國軍隊，以及美國海軍航空系統司令部。同時，眾多的院校也在研究這一課題。

參見

材料

參考

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拓展閱讀

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外部連結

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