左手材料是指介電� �(shù)和磁�(dǎo)率同時為�(fù)�(shù)的材�,在這種介質(zhì)中,電場�磁場和電磁波傳播常數(shù)三者之間構(gòu)� 左手螺旋�(guān)�。這是一種新穎奇異的材料,其通常也稱�(fù)折射率材料� 左手材料是近年來國際上研究的熱點,具有負(fù)折射率、逆多普勒效應(yīng)、完美成像等一 系列性質(zhì)� 通過金屬周期性結(jié)�(gòu)及傳輸線可人工實�(xiàn)� �天線及新�微波器件等性能改�(jìn)� 面具有極大的�(yōu)��
1968�,前蘇聯(lián)科學(xué)家VeselagoVG�(fā)�(xiàn)介電常數(shù)ε和磁�(dǎo)率μ都為負(fù)值的物質(zhì)的電磁學(xué)性質(zhì)與常�(guī)材料不同,還指出�(dāng)平面電磁波照射在這樣的媒介時,會�(fā)生反常的折射�(xiàn)�,不過其在自然界中并不存在,因此他的研究只是停留在理論上�1996年P(guān)endry提出了金屬線周期�(jié)�(gòu),這種�(jié)�(gòu)可使介質(zhì)的介電常�(shù)為負(fù)�1999�,Pendry等人又用電介�(zhì)體設(shè)計了一種具有磁響應(yīng)的周期性結(jié)�(gòu)實現(xiàn)了介�(zhì)磁導(dǎo)率的�(fù)�,�(jìn)而展�(xiàn)了負(fù)折射率材料存在的可能性,人們對這種材料也投入了更多的興��
2001�,加州大�(xué)SanDiego分校的Smith等物理學(xué)家根�(jù)Pendry等人的建�,首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì),證明了�(fù)折射材料的存在�2002�,美國加州大�(xué)Itoh教授和加拿大多倫多大學(xué)Eleftheriades教授�(lǐng)�(dǎo)的研究組幾乎同時提出一種基于周期性LC�(wǎng)�(luò)的實�(xiàn)左手材料的新方法。目前基于LC�(wǎng)�(luò)的左手材料的研究在理論和實驗上都有很大�(jìn)�。研究還表明LC左手材料在微波電�、天線等方面的應(yīng)用中具有很大的優(yōu)�。在2002年底,麻省理工學(xué)院孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理�,他稱之為“導(dǎo)向介�(zhì)”�2003年美國ParazzoliCG等人及Houcl等人同時分別�(jìn)行了一系列成功的實驗工�,樣品實驗的�(shù)�(jù)與模擬計算非常吻合,都晰而顯著地展示出負(fù)折射�(xiàn)�;且在不同入射角下測量到的負(fù)折射率是一致的,完全符合Snell定律,證實了左手材料的存在�
材料與電磁波的相互作用主要體�(xiàn)在材料的 介電常數(shù)ε和磁�(dǎo)率μ這兩個物理參�(shù)�??紤]� 在低損耗介�(zhì)中傳�,此時介電常數(shù)ε和磁�(dǎo)率� 可以看作實數(shù),根據(jù)ε和μ的正負(fù)取�,材料可以分為如圖所示的 4 �� 在自然界�, 大部� 材料位于 1 象限,根據(jù) Maxwell 方程,�(dāng)一束平面波在位于象限Ⅰ的各向同性材料中傳播�, 波矢為實�(shù),因此波可以在這種材料中傳�,波在位于第Ⅱ和Ⅳ象限的介�(zhì)中傳播時,波矢� 虛數(shù),這時材料的耗散非常�,一般認(rèn)為電磁波在該類介�(zhì)中不能傳�,因為這類材料對頻� 具有截止功能� 對于位于第Ⅲ象限的材�,�(fā)�(xiàn)ε和μ乘積仍然為�,說明波可以在其中傳播, 與Ⅰ象限材料相比,雖然波方程沒有改�,� Maxwell 旋度方程�(fā)生了改變,從而引起了電磁 波傳播性質(zhì)上的根本變化�
1.電磁�(xué)性質(zhì)
對于平面單色�,Maxwell 方程可以化成如下簡單形式
在右手介�(zhì)(�>0,�>0)中,由�1)(2)兩式知,E、H、k 三者構(gòu)成右手關(guān)�;在左手介質(zhì)中,因為ε<0,�<0,E、H、k 成左手關(guān)�。而(3)式不含ε和�,因此不論是 在左手介�(zhì)還是在右手介�(zhì)�,E、H、S 三者都是右手關(guān)系。在右手介質(zhì)�,S 方向� K � 向相�,而在左手介質(zhì)中兩者相�。K 代表位相傳播方向,S 代表能流傳播方向即群速度� �,因此,左手介質(zhì)是一種相速度和群速度方向相反的物�(zhì)。同時,左手介質(zhì)必然是色散介 �(zhì),這一點可以由電磁場能量表�(dá)式(4)得�
若不存在色散的話,由 ε�0,μ<0 總能量將為負(fù)��
2.�(fù)折射�(xiàn)象當(dāng)波通過兩介�(zhì)之間的界面時,如圖所�.一邊的磁導(dǎo)率�1 和電�(dǎo)率�1 均大� 0,� 一邊的磁導(dǎo)率�2 和電�(dǎo)率�2 均小� 0.
�(shè)� 2 種媒介使� Maxwell 方程都將被滿�,則有邊界條件:
可見,E � H 沿法線分� En2 � Hn2 的正�(fù)�,在�2/ε1<0,μ2/μ1<0 時將與�2/ε1>0, μ2/μ1>0 時符號的相對,那么,與�2/ε1>0,μ2/μ1>0 的情況相�,在左手材料中折射� 線將�(guān)� z 軸對稱傳�.
3.逆多普勒效應(yīng)
在右手材料中,當(dāng)波源和觀察者之間的距離增加�,比如反射面相對于波源后退�,觀 察到的反射波的頻率會減小,這就是多普勒效應(yīng)。但在左手材料內(nèi),電磁波的相速度和群� 度方向相反, 即能量的傳播方向和相位傳播方向相�� 所以在左手材料中的頻移情況正好� 右手材料相反,觀察者接受到的反射波的頻率會增加,這種�(xiàn)象為逆多普勒效應(yīng)�
4.完美成像
根據(jù)瑞利�(zhǔn)則,一種頻率的電磁波通常只能用來分辯尺寸不小于大約其半個波長的� �,電磁波的波長決定成像的�(zhì)量和清晰程度,所以波長越短,電磁波能分辯的物體尺寸就 越小,清晰度就越高。傳�(tǒng)透鏡無法�(dá)到更好的分辯�,是因為電磁波同時具有凋落波和傳 播波分量� 而凋落波在達(dá)到像點前大部分已�(jīng)衰落� 如果能夠使凋落波分量在達(dá)到像點前� �,就可以恢復(fù)出凋落波對成像的貢獻(xiàn),而左手材料就可以做的這一點,近場可以在左手材 料的表面激勵起高頻諧振� 使己�(jīng)衰落的凋落波在左手材料中被放大, 那么使得凋落波在� �(zhì)�(nèi)被放大的程度與在相當(dāng)厚度的外部媒�(zhì)中的衰落程度抵消� 于是就可以在像點處完美成 ��
5.反常切倫柯夫輻射當(dāng)帶電粒子在介�(zhì)中勻速運動時會在其周圍引起誘�(dǎo)電流� 誘導(dǎo)電流激�(fā)次波� �(dāng)粒子 速度超過介質(zhì)中光速時,這些次波與原來粒子的電磁場互相干�,從而輻射出電磁�,稱� 切倫柯夫輻�。正常材料中,干涉后形成的波�,即等相面是一個錐靀電磁波能量沿此� 面的法線方向輻射出去,是向前輻射�,形成一個向后的錐角,即能量輻射的方向與粒子� 動方向夾角�。θ由式子cosθ=c/nv確定,其� v 是粒子運動的速度。而在�(fù)群速度介質(zhì) �,能量的傳播方向與相速相�� 因而輻射將背向粒子的運動方向發(fā)�,輻射方向形成一個向 前的錐角�
6.� Goos-Hanchen位移
光波從光密媒�(zhì)入射到光疏媒�(zhì),當(dāng)入射角為
將會�(fā)生全反射� 全反射光束在介質(zhì)的分界面上將沿入射光波波矢量的平行分量發(fā)生側(cè)向位 �,該位移� Goos � H?nchen 首次�(fā)�(xiàn),因此命名為 Goos-H?nchen 位移。如果介�(zhì) 2 � 左手材料,|n2|<n1 時也會發(fā)生全反射,此時的反射光束同樣在界面上�(fā)生側(cè)向位�,但� 位移的方向與入射波波矢量的平行分量反向, 這主要是因為左手材料的負(fù)相速的緣故� 該現(xiàn) 象被稱為� Goos-H?nchen 位移�
�、左手材料的人工實現(xiàn)
1、金屬諧振結(jié)�(gòu)左手材料的實�(xiàn)
目前,對于左手材料人工等效實�(xiàn)的研�,主要集中在以金屬諧振結(jié)�(gòu)為基�(chǔ)的人工等 效實�(xiàn)研究,通過 SRRs 周期�(jié)�(gòu)形式的改�(jìn)及研�,完成左手材料的人工等效實現(xiàn)�2000 年美國加州大�(xué) San Diego 分校的科�(xué)� D.R.Smith 等采用電路板刻蝕技�(shù)制備了銅 SRRs 和銅線并周期性排列成�(jié)�(gòu)材料,并測量了其微波透射曲線。大于共振頻率ωm 的范圍內(nèi)體系出現(xiàn)�(fù)的磁�(dǎo)��
2、傳輸線�(jié)�(gòu)左手材料的實�(xiàn)傳統(tǒng)的傳輸線由周期性排列的電子元器件組�,包括串聯(lián)的電感和并聯(lián)的電�,電磁波在 其中傳播的色散關(guān)系與正折射材料相�。如果將電容與電感互�,即電感并�(lián)、電容串�(lián),� 磁波在其中傳播的色散�(guān)系就與負(fù)折射材料類似�
下圖給出了傳輸線實現(xiàn)左料的基本原理:
基于這一理論研究,2002 �,美國加州大學(xué) Itoh 教授給出了左手傳輸線單元�(jié)�(gòu),采用� �(lián)的交指電容等效左手輸線中的串�(lián)電容,同時通過一個長的接地枝節(jié)來等效實�(xiàn)左手傳輸 線中的并�(lián)電感� 幾乎同時候加拿大多倫多大學(xué) Eleftheriades 教授也提出左手傳輸線實現(xiàn)� 面波�(dǎo)�(jié)�(gòu),并證明了電磁波沿傳輸線方向傳播具有后向輻射特��
由于在利用微帶結(jié)�(gòu)的分布集總參�(shù)等效實現(xiàn)左手單元�(jié)�(gòu)中的串聯(lián)電容和并�(lián)電感 的時�,不可避免的引入了右手效應(yīng),所�,研究更多的是一種復(fù)合左右手�(jié)�(gòu)(composite right/left-handed structure,CRLH)。通過在單元結(jié)�(gòu)中加入串�(lián)電感和并�(lián)的電容來表示寄生 的右手特��
新型材料的出�(xiàn),必然會帶來�(yīng)用技�(shù)上的革命。左手材料的奇異特�,自然引起了種種新奇的設(shè)想�
顯微鏡是用來觀察細(xì)微物體的。但是,傳統(tǒng)的光�(xué)鏡頭有個局�,它不能將光線聚焦到小于光線波長的尺�。采用左手材料制作的“超級透鏡”便不同�。一方面,它可以實現(xiàn)平板聚焦,無需制成曲面。另一方面,它沒有傳統(tǒng)透鏡的局�,可以將光線聚焦到光線波長以�,甚至可以檢測單個物�(zhì)分子,而且還能放大倏失�,將二維像點的所有傅立葉分量全部聚焦,實�(xiàn)“理想成像”。這是采用常規(guī)光學(xué)技�(shù)不可能做到的�2004�2月,俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所的物理學(xué)家宣布他們研制成功一種具有超級分辯率的鏡�。同年,加拿大多倫多大學(xué)的科�(xué)家制造出一種左手鏡�。兩國科�(xué)家的研究成果獲得科學(xué)界的高度贊賞,被美國物理�(xué)會評�2004年度國際物理�(xué)會影響的研究成果�
根據(jù)左手材料不同凡響的特�,科�(xué)家已�(yù)言可以將之�(yīng)用于通信系統(tǒng)以及資料儲存媒介的設(shè)計上,用來制造更小的移動電話或者是容量更大的儲存媒體,拓寬頻帶,改善器件的性能。據(jù)報道,上海同濟大�(xué)物理實驗室近日已�(jīng)制造出新型左手材料天線,可讓手機天線只對信號基站定向發(fā)射信�,而不向人腦方向發(fā)�,從而避免電磁波對人體的輻射。左手材料定向功能還為制造新一代手機天線創(chuàng)造條�。第四代,第五代移動通信技�(shù)對于智能化天線提出了極高要求,但�(xiàn)有手機天線無法實�(xiàn)定向?qū)ふ业戎悄芑δ�;谧笫植牧系膯蝹€小天�,可實現(xiàn)高方向性或者波束掃�,輕松達(dá)到定向目�,還能大大降低能�。目前,國際通信�(chǎn)�(yè)界都在加緊研制左手材�,借以開發(fā)未來微波通信器件�
令各國軍事部門倍感興趣的是,左手材料有可能用于電磁波隱身。目前各國的隱身技�(shù),主要是使用各種吸波、透波材料,實�(xiàn)對雷�(dá)的隱形;采用紅外遮擋與衰減裝�、涂敷紅外掩飾涂料等,以降低紅外輻射強度,實�(xiàn)對紅外探測器的隱�;在可見光隱形上,只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初級的方法。不�(fā)光物�(zhì)之所以可�,就是因為它反射和散射的光線。左手材料制造的兵器可能將光線或雷達(dá)波反向散射出�,使得從正面接收不到反射的光線或微波,從而實�(xiàn)隱身�
此外,左手材料還有可能在新型波導(dǎo)和光纖中得到�(yīng)�,等�。如果使得產(chǎn)生負(fù)反折射系�(shù)的頻段擴展到可見光領(lǐng)域(即頻段上�5個數(shù)量級),則必然會出現(xiàn)更多的引人入勝的光學(xué)效應(yīng)�
目前,左手材料的研制還剛剛處在起始階�,隨著研究的深入,新的突破出�(xiàn),它必將開創(chuàng)一個新的紀(jì)��