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1、材料物理结课论文题目：左手材料学院：姓名：学号：指导老师： 2013年 12月26日目 录摘要11.引言12.左手材料概念与提出，发展12.1左手材料概念12.2左手材料的提出33.左手材料的理论34左手材料的奇异特性74.1负折射效应74.2反常 Doppler 效应74.3反常 cherenkov 辐射85.左手材料的实验制备和研究现状95.1左手材料的实验制备95.2左手材料研究现状116.左手材料的潜在应用117.结语13参考文献13致谢16题目：左手材料摘要：左手材料是一种介电常数和磁导率同时为负值的人工材料,这种材料具有负群度、负折射率、逆多普勒效应等多种奇特的物理性质。叙述了左手
2、材料概念和基本原理,介绍了左手材料的应用及其发展前景。详细介绍了左手材料(同时拥有负磁导率和负介电常数)存在的理论依据、实现方法和基本电磁特性 ,光学和微波等领域的潜在应用 ,及其研究 现状。关键词：左手材料;负磁导率;负介电常数 ; 负折射 逆多普勒效应1Abstract:Left-handed materials is a kind of dielectric constant and magnetic permeability and negative artificial materials, the material with negative group of degree of
3、negative refractive index inverse doppler effect and so on a variety of unique physical properties. Describes the left-handed material concept and basic principle, this paper introduces the application and development prospect of left-handed materials. Left-handed materials was introduced in detail(
4、also has the negative magnetic permeability and negative permittivity) method and the theoretical basis of the basic electromagnetic characteristics, potential applications in the field of optical and microwave etc, and its research statusKey words: Left hand materials; Negative magnetic permeabilit
5、y; Negative dielectric constant; Negative refraction inverse doppler effect.22013年第一学期材料物理结课论文1.引言19世纪60年代，Maxwell方程组的提出极大地促进了人工复合电磁材料的发展，人工复合电磁材料是自然界中并不存在，而是 人们根据电磁理论推导，计算，设计并且制备出来的，具有特殊电磁 属性的人造媒质或材料。它通常是由两种或两种以上的自然界物质按照一定的规则组成。在众多人工复合电磁材料的研究中，最具有代表性的是光子晶体带隙（photonic crystal band-gap，PBG）材料和左手材料（le
6、ft-handed materials，LHMs）。虽然左手材料仅在最近十年才得到深入研究，但其在物理学，材料学，光学，力学和应用电磁学等领域所产生的影响力丝毫不逊于光子晶体，左手材料由于介电常数与磁导率同时为负而具有多种特殊的电磁性质，在精密仪器，智能控制和通讯系统等领域具有很高的应用价值。在左手材料研究工作的基础上，超材料（metamaterials）的概念又被历史性地提出，这使得人们对材料的认识水平上升到了新的高度。继“负折射率左手材料”被美国 Science 杂志评为2003 年的世界十大科技突破之后，“超材料隐身斗篷”再次被评为 2006 年的世界十大科技突破之一。以左手材料为典型代
7、表的超材料开辟了新的研究领域，正在推动着新一轮的技术革新。在世界上第一种人工左手材料制备出不久，科技界就预言左手材料能够给天线领域带来革命性的变化。近几年的相关研究表明，左手材料及单负材料（独立具有负介电常数或负磁导率性质）已经在天线上显示出了巨大的优势。国内外众多的科研小组在这个领域开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的研究成果。与传统天线相比，利用左手材料及单负材料设计出的新型天线具有性能和结构上的双重优势，在商业和军事上均有广阔的应用前景，同时将对人类生活产生深远的影响。2.左手材料概念与提出，发展2.1左手材料概念 物理学中，介电常数和磁导率是用于描述物质电磁性质最基本的物理量，自然界中
8、存在的电介质，介电常数和磁导率都大于0，且电场强度、磁场强度和波矢量满足右手定则，这一定律被认为是物质世界的常规，具有不可动摇的地位. 满足这一条件的物质被相应称为右手材料（right-handed materials，RHM）. 左手材料1（left-handed materials，LHM）. 左手材料是与右手材料性质完全相反的一种材料。在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数和磁导率两个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波动方程（Helmholtz方程）为： (2-1) (2-2)和一般都与电磁波频率有关并且在大多数情况下都为正数，此时方程(2-1)和(2-2)有波动解，电磁波能在其
9、中传播。对于无损耗、各向同性、空间均匀的介质，由Maxwell方程组能推出：可见，上面的，满足右手螺旋关系，满足此类关系的介质被称为右手材料如果介质的和两者之间一个为正数而另一个为负数，则，无实数解；即方程(2-1)和(2-2)无波动解，电磁波不能在其中传播。如果介质满足,，方程(2-1)和(2-2)有波动解，电磁波能在其中传播。但是 ， 之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系（如图2.1所示）。这种介质就被称为“左手材料”。图2.1和的的象限图2.2左手材料的提出1967年，前苏联物理学家Veselago在他发表的一篇文章中首次提出了一种假想材料左手材料1（left-handed ma
10、terials，LHM）. 左手材料是与右手材料性质完全相反的一种材料，它是指物质的介电常数和磁导率 同时为负的材料.由于自然界中尚没有发现和同时为负的物质，左手材料要通过人工制造来获得，Veselago的研究成果一直沉睡了30余年. 直到1996年，英国帝国理工学院的Pendry指出可以用细金属导线阵列（Rod）构造等效介电常数为负的人工材料2；1999年，Pendry又指出可以用谐振环阵列（SRR，split-ring resonator）构造等效磁导率为负的人工材料3-5. 一个里程碑性的工作是2000年美国加州大学圣迭戈分校的Smith等人把二者结合起来，首次实现了左手材料6，并提出了
11、利用左手材料制作完美透镜的理论. 2003年美国Parazzoli7等人及 Houck8等人分别对左手材料进行了一系列实验研究，所得样品实验数据与模拟计算数据恰好吻合，清晰而显著地展示出负折射现象；且与在不同入射角下测量的负折射率一致，完全符合Snell定律. 随后，左手材料的研究成为国际电磁学界一个引人注目的前沿领域，引起了众多学者的关注.3.左手材料的理论根据和的符号，理论上材料可分为四类（如图 3.1 所示）。图3.1和的的象限图 自然界中绝大多数材料位于第象限，其和均大于零。等离子体和金属低于其等离子体频率时, ，位于第 象限，铁氧体在其铁磁谐振频率附近，位于第 象限，它们的折射率为虚
12、数，电磁波不能在其中传播，该材料内传播的电磁波为倏逝波。第 象限中，小于零，小于零，其折射率为实数，同第象限内的材料一样电磁波能在其中传播，但会表现出奇特的物理特性。电动力学主要研究了第, 和 象限内材料的电磁波传输特性，而没有谈及第象限内的材料。1968 年，前苏联物理学家 Veselago 由麦克斯韦方程及介质方程出发，从理论研究了和同时为负的材料的奇特的电磁响应行为。首先我们考虑入射波为平面波。平面单色波在各向同性介质中传播时满足的麦克斯韦方程组及介质方程为 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)将 和 代入麦克斯韦及介质方程中可得 (3-5) (3-6)由上式可见，当（)时，电
13、磁波的波矢、电矢量和磁矢量三者构成右手关系；而当和同时小于零时，三矢量构成左手关系，所以将和同时为负的材料称为左手材料（LHMs）。（见图3.2）。左手材料中的波矢与Poynting矢量的方向相反，即相速度和群速度方向相反。根据其特性，左手材料也被称为后向传播波媒质、双负媒质和负折射媒质等。 图 3.2 右手定则 ， 左手定则假设一束平面单色波入射到两介质交界面，如图 3.3 所示，如果给定了两物质的介电常数和磁导率的值，由 Snell 定律： (2-7) 图3.3(a) 入射光在经过一般介质与左手材料接口时，折射光偏折方向会与入射光在法线的同一边。 (b) 以左手材料为材质制作的凸透镜或凹透镜，分别会表现出散光或聚光的效果。(c) 平板状的左手材料，会有类似一般凸透镜的聚光效果光线 1 由介质一入射到介质一与介质二交界面，对于常规材料(介质1和2满足) 反射光线和折射光线方向分别由 2 和 4给出，入射光线和折射光线将分居界面法线两侧则这种折射为正折射，折射角与物质的折射率n有关。由于Snell定律可由麦克斯韦方程导出，因此折射率n并不是一个描述物质性质的新参数，实际上它可以写成和的表达式：对于常规材料() 我们都把折射率n取为正根这样做的主要原因是为了使理论与实验相吻合，因此，传统的Snell定律是在假设二物质都为右手
