廈門大學光波技術研究所 李海雄

1.引言

左手材料(Left handed material)，作為一種自然界至今并未發(fā)現(xiàn)，人工合成的周期結構復合材料(A composite or structured material that exhibits properties not found in naturally occurring materials or compounds)。是由前蘇聯(lián)物理學家Mandelshtam于1940年最初提出的。而Veselago于1968年在文章中[1]，根據(jù)Maxwell方程組，分析了電磁波在其中傳播時，與常規(guī)介質不同，E?、H?和K?之間滿足左手螺旋關系而不是右手螺旋關系。但是在接下來的30多年里，并沒有在實驗中觀察到理論所預言到的現(xiàn)象，所以左手材料并沒有得到深入地研究。直到1996年英國的皇家科學院院士J.B.Pendry把金屬絲(Rods)均勻排列，電磁波射入金屬絲陣列得到負的介電常數(shù)。三年之后，他又利用開口的金屬諧振環(huán)(SRR，Split ring resonator)，在特定入射波的條件下又獲得了負的磁導率。2000年，美國的科學家D.R.Smith研究小組在Pendry等人研究的基礎上，將SRR和Rods合理地組合起來，首次得到了同時具有負的介電常數(shù)和磁導率的物質，從此以后，越來越多的人投身到左手材料的研究熱潮中，左手材料被“Science”雜志評為2003年度十大科技突破之一。尤其是在最近幾年來，左手材料的研究在理論和應用上都取得了顯著的成績。并且逐漸改變著我們的生活。

2.左手材料的基本原理

而電磁波要在介質中存在，必須滿足與介質的電磁常數(shù)和電磁波參量相關聯(lián)的波動方程，Helmholtz方程：

圖1 (a)樹葉狀結構的左手材料；(b)螺旋狀結構的左手材料；(c)蘑菇型結構的左手材料；(d)雙S型結構的左手材料；(e)雙Z型結構的左手材料

由此可知，在左手介質中，波的相位傳播矢量K、電場強度E和磁場強度H與常規(guī)介質相同，也是相互垂直的，可是不同的是，常規(guī)介質的E、H和K之間滿足的是右手螺旋關系，而左手介質中的E、H和K之間滿足的是左手螺旋關系。這也是為什么人們把介電常數(shù)和磁導率同時為負數(shù)的介質稱為左手介質的緣故。

同時，多普勒效應、切倫科夫輻射、輻射壓力、原子自發(fā)輻射效率、對倏逝波的作用、光子隧道效應等會發(fā)生異常。

3.左手材料的結構設計

因為至今在自然界并沒有發(fā)現(xiàn)左手介質，目前人們在實驗或者工程中用到的左手介質樣品都是人為設計的，是一種復合材料。大部分都是在微波印刷電路板上刻蝕各種各樣不同的周期性的圖案來實現(xiàn)等效左手特性的。各個方面還遠遠沒有能夠達到人們對左手材料的期望并且確實可以改變人們生產(chǎn)生活的程度。在由結構決定材料性質方面，左手材料既有與傳統(tǒng)材料相似的一面也有截然不同的一面。相似之處主要表現(xiàn)在與晶體的對比上，晶體是由規(guī)則分布在空間中的原子或分子組成的，并且晶體表現(xiàn)出來的性質與原子或分子在空間的分布排列狀況有非常密切的關系。而左手材料的性質很大一部分取決于各種不同結構在空間的分布。它們都是不同結構在空間有規(guī)律的分布來影響物質表現(xiàn)出來的性質的。不同之處在于它們的維度并不在一個等級上，組成晶體的粒子是微觀的，構成左手材料的結構是宏觀的。由于材料制備、加工技術手段等因素的影響，目前研究中制備出的左手材料樣品，與傳統(tǒng)的介質最主要區(qū)別在于；傳統(tǒng)介質的性質不光取決于粒子的分布，而且更主要的取決于粒子本身的性質，而左手介質的性質不光取決于基本單元的空間分布，而且還取決于基本單元的幾何形狀。雖然與基本單元的物質組成有一定的關系，但關系并不像傳統(tǒng)介質那樣密切。于是制造出性能良好的左手材料必須由各國科研工作者付出極大的努力。同時也看出，在左手材料的研究過程中，材料的構造，設計和加工的重要性。世界上不同國家和地區(qū)的科研工作者已經(jīng)設計出了許多不同形狀的基本單元結構，金屬開口諧振環(huán)和金屬棒復合結構是最初提出來的左手材料結構，在此基礎上，各種相似的結構不斷被提出，這些新提出來的結構都在性質上得到了不同角度的優(yōu)化；如R.A.Shelby提出來的方形環(huán)[2]，實驗和數(shù)值結果同時顯示在二維，X波段上實現(xiàn)了均勻的左手特性，并且介質的損耗也有所降低。Th.Koschny雖然也是方形環(huán)，但是在三維結構上實現(xiàn)了各向同性，S.O.Brien提出的C形環(huán)擴展了最初只在微波頻段上才能實現(xiàn)的局限，用不同厚度的和幾何大小的基本結構在紅外頻段上實現(xiàn)了左手特性，螺旋環(huán)，樹枝狀結構，樹葉狀結構[3]，蘑菇型結構，雙S型結構，Z型結構[4]等，如圖1示。

4.結語

左手材料的實現(xiàn)在思想上給予人們巨大的沖擊，理論上和應用上都開辟了一個新的研究領域?？茖W家們預言左手材料將會在移動通信，信息存儲，電磁隱身等方面發(fā)揮重大的作用。尋找結構簡單，損耗低，頻帶寬，固態(tài)的，各向同性，線性的左手材料是各國科技工作者追求的目標。因此，設計出新的結構，對現(xiàn)有結構的優(yōu)化以及其物理特性的研究將會是今后很長時間內研究的主要任務。相信左手材料會在不久的將來會在人們的生活中開始發(fā)揮重要作用。

[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]趙曉鵬,蘇斌,龔伯儀.樹葉狀紅外頻段完美吸收器的仿真設計[J].物理學報,Vol.61,2012,144203.

[4]王海俠,呂英華,張洪欣,吳艷玲.基于雙在形金屬條的雙入射型左手材料研究[J].物理學報,Vol.60 2011,034101.