左手材料的研究概述

厦门大学光波技术研究所 李海雄

1.引言

左手材料(Left handed material)，作为一种自然界至今并未发现，人工合成的周期结构复合材料(A composite or structured material that exhibits properties not found in naturally occurring materials or compounds)。是由前苏联物理学家Mandelshtam于1940年最初提出的。而Veselago于1968年在文章中[1]，根据Maxwell方程组，分析了电磁波在其中传播时，与常规介质不同，E⇀、H⇀和K⇀之间满足左手螺旋关系而不是右手螺旋关系。但是在接下来的30多年里，并没有在实验中观察到理论所预言到的现象，所以左手材料并没有得到深入地研究。直到1996年英国的皇家科学院院士J.B.Pendry把金属丝(Rods)均匀排列，电磁波射入金属丝阵列得到负的介电常数。三年之后，他又利用开口的金属谐振环(SRR，Split ring resonator)，在特定入射波的条件下又获得了负的磁导率。2000年，美国的科学家D.R.Smith研究小组在Pendry等人研究的基础上，将SRR和Rods合理地组合起来，首次得到了同时具有负的介电常数和磁导率的物质，从此以后，越来越多的人投身到左手材料的研究热潮中，左手材料被“Science”杂志评为2003年度十大科技突破之一。尤其是在最近几年来，左手材料的研究在理论和应用上都取得了显著的成绩。并且逐渐改变着我们的生活。

2.左手材料的基本原理

而电磁波要在介质中存在，必须满足与介质的电磁常数和电磁波参量相关联的波动方程，Helmholtz方程：

图1 (a)树叶状结构的左手材料；(b)螺旋状结构的左手材料；(c)蘑菇型结构的左手材料；(d)双S型结构的左手材料；(e)双Z型结构的左手材料

由此可知，在左手介质中，波的相位传播矢量K、电场强度E和磁场强度H与常规介质相同，也是相互垂直的，可是不同的是，常规介质的E、H和K之间满足的是右手螺旋关系，而左手介质中的E、H和K之间满足的是左手螺旋关系。这也是为什么人们把介电常数和磁导率同时为负数的介质称为左手介质的缘故。

同时，多普勒效应、切伦科夫辐射、辐射压力、原子自发辐射效率、对倏逝波的作用、光子隧道效应等会发生异常。

3.左手材料的结构设计

因为至今在自然界并没有发现左手介质，目前人们在实验或者工程中用到的左手介质样品都是人为设计的，是一种复合材料。大部分都是在微波印刷电路板上刻蚀各种各样不同的周期性的图案来实现等效左手特性的。各个方面还远远没有能够达到人们对左手材料的期望并且确实可以改变人们生产生活的程度。在由结构决定材料性质方面，左手材料既有与传统材料相似的一面也有截然不同的一面。相似之处主要表现在与晶体的对比上，晶体是由规则分布在空间中的原子或分子组成的，并且晶体表现出来的性质与原子或分子在空间的分布排列状况有非常密切的关系。而左手材料的性质很大一部分取决于各种不同结构在空间的分布。它们都是不同结构在空间有规律的分布来影响物质表现出来的性质的。不同之处在于它们的维度并不在一个等级上，组成晶体的粒子是微观的，构成左手材料的结构是宏观的。由于材料制备、加工技术手段等因素的影响，目前研究中制备出的左手材料样品，与传统的介质最主要区别在于；传统介质的性质不光取决于粒子的分布，而且更主要的取决于粒子本身的性质，而左手介质的性质不光取决于基本单元的空间分布，而且还取决于基本单元的几何形状。虽然与基本单元的物质组成有一定的关系，但关系并不像传统介质那样密切。于是制造出性能良好的左手材料必须由各国科研工作者付出极大的努力。同时也看出，在左手材料的研究过程中，材料的构造，设计和加工的重要性。世界上不同国家和地区的科研工作者已经设计出了许多不同形状的基本单元结构，金属开口谐振环和金属棒复合结构是最初提出来的左手材料结构，在此基础上，各种相似的结构不断被提出，这些新提出来的结构都在性质上得到了不同角度的优化；如R.A.Shelby提出来的方形环[2]，实验和数值结果同时显示在二维，X波段上实现了均匀的左手特性，并且介质的损耗也有所降低。Th.Koschny虽然也是方形环，但是在三维结构上实现了各向同性，S.O.Brien提出的C形环扩展了最初只在微波频段上才能实现的局限，用不同厚度的和几何大小的基本结构在红外频段上实现了左手特性，螺旋环，树枝状结构，树叶状结构[3]，蘑菇型结构，双S型结构，Z型结构[4]等，如图1示。

4.结语

左手材料的实现在思想上给予人们巨大的冲击，理论上和应用上都开辟了一个新的研究领域。科学家们预言左手材料将会在移动通信，信息存储，电磁隐身等方面发挥重大的作用。寻找结构简单，损耗低，频带宽，固态的，各向同性，线性的左手材料是各国科技工作者追求的目标。因此，设计出新的结构，对现有结构的优化以及其物理特性的研究将会是今后很长时间内研究的主要任务。相信左手材料会在不久的将来会在人们的生活中开始发挥重要作用。

[1]Veselago V.G.The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of permittivity and permeability[J].Soy Phys Usp,1968,10(4):509.

[2]R.A.Shelby,D.R.Smith,Microwave transmission through a two-dimensional,isotropic,left-handed Metamaterial,Applied Physics Letters,Vol.78,2001,489-491.

[3]赵晓鹏,苏斌,龚伯仪.树叶状红外频段完美吸收器的仿真设计[J].物理学报,Vol.61,2012,144203.

[4]王海侠,吕英华,张洪欣,吴艳玲.基于双在形金属条的双入射型左手材料研究[J].物理学报,Vol.60 2011,034101.