左手材料研究进展与应用

左手材料研究进展及应用

左手材料,指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质).在自然界中,所有物质的介电常数(ε)和磁导率(μ)都是正数.左手材料这种新型材料的超级的地方,在于其负的介电常数和磁导率使得主导普通材料行为的许多物理特性产生逆变. 左手材料有时也被称作”异向介质”,”负折射系数材料”. 迄今为止,咱们在自然界中见到的都是右手材料,右手规则一直被以为是物质世界的常规.可是,在左手材料中,电磁波的电场,磁场和波矢却组成左手关系.这也是这种材料被称为\左手材料\的原因.

由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数,折射率也是负的,按照电磁学理论,能够推断出它有很多奇异的物理特性.由于那个学期正在学习电磁场,电磁场的数学基础和这种反常自然界物质的神独特性让我超级感兴趣.虽然阅读了较多的文献,不过很多理论仍是不能理解.不过,我理解的那一部份已经收获颇丰了.比如,人的大脑要有创新精神,勇于冲破常规,虽然右手规则是统治自然界物质的普遍规律,在咱们的脑海中,也根深蒂固的有ε和μ同时>0的概念,不过,只要勇于想,勇于创造,这种冲破自然界常规的物质LHM(left hand material)就可以够发挥出它庞大的功能.

一.左手理论的起源和进展

1967年，前苏联物理学家Veselag。在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，第一次报导了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发觉，即:当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间组成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。这篇论文引发了一名英国人的关注，1968年被译成英文从头发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。但几乎无人意识到，材料世界从此掀开新的一页。

左手材料的研究进展并非是一帆风顺。在这一具有颠覆性的概念被提出后的30年里，虽然它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中尚未发觉实际的左手材料，所以，这一学术假设并无立刻被人同意，而是处于几乎无人理会的境界，直到快要本世纪时才开始出现转机。英国科学家Pendry等

人在1998-1999年提出一种巧妙的设计结构能够实现负的介电系数与负的磁导率，从此以后，人们开始对这种材料投入了愈来愈多的兴趣。2001年的冲破，为左手材料的研究形成热潮莫定了历史性基础。

2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家按照Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合材料第一次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线组成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了左手材料的存在。

2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的左手材料，这将可能对电子通信业产生重大影响，相关研究功效也发表在当月的美国《应用物理快报》上。

2002年末，麻省理工学院孔金甄教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美选镜”、用于电磁波隐身等等。左手材料的前景开始引发学术界、产业界尤其是军方的无穷联想。

2003年是左手材料研究取得多项冲破的一年。美国西稚图Boeing Phantom Works的C. Parazzoli与加拿大University of Toronto电机系的G.日eftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负拆射定律;IowaState University的S. Foteinopoulou也发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果;美国麻省理工学览的和在《自然》杂志发表文章，描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。基于科学家们的多项发觉，左手材料的研制赫然进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全世界十大科学进展，引发全世界注视。

二.LHM的理论解释

(1)k,E,H的左手关系

从Maxwell方程动身:

对于各向同性的LHM,存在本构关系: D =εE B =μH 从波动方程: 取得色散关系:

其中为折射率的平方。

对于折射率n,当ε和μ同时>0时,符合色散关系,波动方程有解。若同时改变介电常数和磁导率的符号,使得ε和μ同时<0,能够看到他们的乘积数值相同,波动方程一样会有解,这并非违背Maxwell定律。但电磁参数同时为负的解必然和通常的不同,从而取得电磁波的特性必然有专门大不同。

由麦克斯韦的两个旋度方程: 电磁波在无源媒质中传播时可得

由 能够看出, 当ε>0、μ>0 时, 如图1(a)所示,电场E,磁场H 和波矢量k 知足右手螺旋关系; 而当ε<0、μ<0 时, 上述三者知足左手螺旋关系,如图1(b)所示。另外, 描述电磁波能流密度的坡印廷矢量概念为:S=E×H 由此看出, 能流密度与电场E、磁场H 知足右手螺

旋关系。从而能够得出一个成心思的结论, 当ε>0、μ>0 时, 能量流动方向S和电磁波的传播方向k是一致的;而当ε<0、μ<0 时, 二者的方向却是相反的。波矢k代表相位传播方向,波印廷矢量S代表能流传播方向,即群速度传播方向.所以LHM是一种相速度与群速度相反的物质.

(a)右手( ε>0, μ>0) (b) 左手( ε< 0, μ< 0)

图(1) 电场、磁场、波向量与能流密度方向之间的向量关系

同时,LHM必需是色散物质,这一点能够由电磁场能量表达式看出 式(1)

因为,若是不存在色散的话,按照式(1)ε<0,μ<0,总能量将为负值.

(2)LHM具有负的折射特性

图2中,若是媒质2同时拥有负参数,它的折射系数表征为: 式(2)

图(2) 电磁波在RHM 和 LHM 两种材料分界面的传播

由于两个负数乘积与两个正数乘积的值相同,等式(2)取得与正参数媒质相同的折射系数。为便于区分和维持参数的一致性,假设媒质2有损耗且其电磁参数为复数: