超材料技术的研究进展

王蓬 李宝毅 赵亚丽

摘 要：超材料作为近年来研究热门之一，其所拥有的奇异特性具有非常大的应用前景。作为一种利用物体结构排列次序而使其产生特异性能的材料，其材质、结构形状以及结构尺寸直接决定了超材料的电磁特性。本文分析了超材料奇异的电磁特性和发展现状。

关键词：超材料 电磁特性

中图分类号：TQ02 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（c）-0098-02

超材料（Metamaterials）是一类具有自然界中材料所不具备的超常物理性质的等效均匀的人工复合结构或复合材料。超材料具有自然界中材料所不具备的超常物理性质，为经典电磁理论开辟了崭新的研究空间，对未来科技、经济和社会发展将产生重大影响，是国际竞相争夺的科技战略制高点，在微波通讯、超分辨率成像、大容量存储介质、可选波长的滤波器、近场光学显微仪等领域均有广阔的应用前景。

1 超材料的电磁特性

作为一类人工复合材料，超材料与常规介质最大的区别就是超材料呈现出一系列超常规的电磁现象，这些电磁现象颠覆了人们对传统自然界的认识。与常规介质不同，超材料具有三个重要的特征：（1）是由新奇的人工微结构单元构成的复合材料。（2）具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）。（3）其性质和功能主要来自其内部的人工结构而非构成材料的成分与本征性质。超材料的出现意味着人们可以在不违背基本物理学规律的前提下，人工获得与自然媒质迥然不同的超常物理性质的“新媒质”，为电磁研究领域开拓了新的空间。

1.1 逆Snell折射

平面波从正介质中以波矢k入射到异向介质（ε<0，μ<0）中，在交界面发生折射。由于在交界面处切向场量kx连续，以及在异向介质中能量只可能从交界面处向远处传播。相应的，能量传播方向与波矢方向相反。可以看出，如果按照寻常正介质之间的Snell折射定律，折射方向与入射方向永远不可能在法线的同一侧，但是平面波在正介质与异向介质交界面发生折射时，折射方向与入射方向出现在法线的同一侧，表现了不同寻常的负折射现象。

1.2 频率色散特性

要实现介电常数和磁导率同时为负值，则该媒质一定是色散媒质，其本构参数ε和μ是与频率相关的。

在无色散的介质中，单位体积内的平均电磁能为：

如果介电常数和磁导率同时为负值，则平均电磁能密度为负，这是非物理的，所以，左手媒质一定是色散媒质。当媒质存在色散时，磁能密度应为：

因为平均电磁能密度总为正值，所以左手媒质本构参数要满足：

，

1.3 逆Doppler效应

设源在左手特性介质（n=-l）中以v的速度运动，同时又向外辐射，辐射频率为ω，则在异向介质中检测到的频率为：

，

其中，

则在源运动方向上检测到的频率为：

说明在异向介质中，当源朝探测器的方向运动时，探测器接收到的频率比实际的频率要小，与正介质中的现象刚好相反，这也是异向介质所具有的一个逆效应。

1.4 逆Cerenkov（契伦科夫）辐射效应

契伦科夫辐射是指液体或固体在受到高速运动的电子流撞击时发出的可见的电磁辐射。设带电粒子在介质中以超过光在介质中的速度作运动，即，则粒子将在其运动的方向上辐射出角锥状的光锥，光锥的角度θ满足。带电粒子在正介质在正介质中粒子辐射的是前向光锥，在异向介质中辐射的是后向光锥。

1.5 逆Goos-Hanchen位移效应

当电磁波束以某个角度入射到折射率比较小的媒质上发生全反射时，在交界面将沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移现象。

当电磁波束在两个不同正介质之间发生全反射时，在交界面方向上将伴随着正的Goos-Hanchen位移。而当波束由正介质倾斜入射到异向介质并且发生全反射时，在交界面方向_L将伴随着负的Goos-Hanchen位移。

2 超材料技术发展现状

超材料中左手材料的概念最早由前苏联科学家Veselago于1967年提出，但在近30年内对其的研究几乎处于停滞状态。20世纪90年代，英国物理学家Pendry提出了分别实现负介电常数和负磁导率介质的理论模型，重新开启了该领域的研究。Pendry等研究发现周期性排列的导电金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为极为相似，可通过此种方法获得介电常数ε为负的材料。Pendry又进一步研究表明按不同方式排列的导电开口谐振环的电磁响应行为与磁性材料相似，尤其是该结构的磁导率μ在某一特定频率范围为负。

依据Pendry的设计思想，2001年美国加州大学San Diego分校的David Smith等将开环谐振器（SRR）和金属线按照一定的图案周期性排列而首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的二维左手介质，首次证实了负折射现象和超材料中左手材料的存在。自此超材料中左手材料的研究工作成为科学界关注的焦点。

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，相关研究成果也发表在当月的美国《应用物理快报》上。2003年是超材料中左手材料研究获得多项突破的一年。美国西雅图Boeing Phantom Works的C. Parazzoli与加拿大University of Toronto電机系的G. Eleftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律；2003年，基于科学家们的多项发现，超材料中左手材料的研制进入了美国《科学》杂志评出的年度全球十大科学进展。

2005年，Alu和Engheta提出用超材料作为涂层，通过缩减涂层球的总散射截面来实现球形物体的隐身，引起国内外的广泛关注。Pendry提出通过坐标变换的方法实现大尺寸物体的透明隐身，通过使入射的电磁波在被测物体周围发生弯曲，从而实现隐身。利用这一原理，Schurig等人设计出具有这种特性的超材料，成功使圆形铜柱实现隐身。2006年，基于左手材料思想设计的梯度超介质实现电磁波隐身被美国《Science》杂志评为十大科技突破之一。2009年，崔铁军教授利用超材料制成三维隐身地毯，使电磁波进入隐身地毯之后在其中弯曲行走，绕过隐身地毯所包裹的物体实现隐身效果。

3 超材料技术发展趋势

超材料技术作为新兴技术，当前最迫切的是建立系统超材料理论研究、结构设计和精密实现技术体系，实现超材料从技术向产业的跨越，着力提升超材料的电磁性能，并为这些特殊属性与业界所需要的电磁功能服务找到结合点。目前迫切需要解决的主要技术难题包括：

超材料技术的难点主要包括以下四点：超材料电磁参数提取技术、以电磁特性为导向的超材料结构优化设计技术、超材料结构的精密控制技术以及超材料器件的仿真设计技术。

（1）超材料电磁参数提取技术。超材料的电磁特性设计可以转化为等效介电常数和等效磁导率设计，通过提取超材料结构的等效介电常数和等效磁导率随频率的变化关系，以简化对超材料电磁特性的理解，可加快超材料电磁特性设计周期。

（2）以电磁特性为导向的超材料结构优化设计技术。超材料的设计思路是以某种具有特殊电磁特性的人工结构为基础，材料中所呈现的一些物理性质往往和人工结构中的关键物理尺度有關，通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。作为一类人工复合材料，超材料奇异的电磁特性与其独特的结构密切相关，如何根据材料的电磁特性需求反演其结构特征是关键。

（3）超材料结构的精密控制技术。超材料的空间电磁响应行为受人工结构尺寸的严格限制，每个结构参数的变化都会对其电磁行为产生重大影响。因此，超材料技术的另一个关键技术是对超材料结构尺寸的精密控制，利用精密加工技术以尽量缩减超材料结构的尺寸公差，最终获得高精度电磁响应特性的超材料结构。

（4）超材料新型器件的仿真设计技术。微波器件问题研究的本质是对器件所产生的空间电磁场分布及其决定场的计算，可归结于求解特定条件下的麦克斯韦方程。超材料微波器件研发的关键是对不同结构超材料器件进行准确的建模和合理的数据分析，从而得出最接近真实情况的仿真结果，实现超材料器件的快速建模仿真、优化设计，最终为通过高性能、低电磁污染超材料器件的制备提供依据。

4 超材料技术的前景

超材料是一个新兴的技术领域，充分利用超材料特殊的电磁响应特性以解决传统材料和技术所不能解决的问题，克服实现超材料的一系列技术难题，推动超材料技术的进一步向前发展，对我国掌握新兴科技的制高点，实现科学技术向成果转化具有重要意义。

参考文献

[1] D.Smith，W.Padilla，et al.Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity.Physical Review Letters，2000，84：4184-4187.

[2] Garcia N，Nieto-Vesperinas M.Left-hand materials do not make a perfect lens.Physical Review Letters，2002，88， 207403：1-4.

[3] P.M.Valanju，R.M.Walser，A.P.Valanju.Wave refraction in negative-index media：Always positive and very inhomogeneous，Physical Review Letters， 2002，88（18）：1-4.

[4] J.B.Pendry.Negative refraction makes a perfect lens.Physical Review Letters， 2000，85（18）：3966-3969.

[5] Heungsoo Kim，Joseph S.Melinger，et al.Fabrication of terahertz metamaterials by laser printing.Optics Letters，2010， 35（23）：4039-4041.

[6] T.J.Cui，D.R.Smith，R.Liu. Metamaterials Theory，Design，and Applications，Springer，2009.

[7] M.Rahm，J.B.Pendry， et al.Design of electromagnetic cloaks and concentrators using form-invariant coordinate transformations of Maxwell's equations.Photo.Nano.Fund，2008，87：350-354.