Left-Handed Metamaterials)左手征材料左手征材料Prof. Mingbo Yang目录 狄拉克（Dirac ）与“ 反物质 ” 菲斯拉格（ Veselago）的假想材料 什么是左手征材料 左手征材料的研究历史 左手征材料的奇特性能 左手征材料的可能应用 左手征材料的启发狄拉克与“反物质”狄拉克与 反物质( Dirac & Anti-materials )1928年狄拉克在求解他发现的电子的相对论波动方程时，除了得到一组正能解外，还得到一组负能解按照旧式物理学家的习惯，负能解是没有物理意义的（因为根据经验，自然界不存在质量为负数的物质），因此这个负能解可以用人为方式舍去在数学家看来，物理学家的这种做法显得蹩脚与鲁莽的，因为“解的完备性 ”是波动方程的一个起码的性质与要求，这可以使得“任何一个波函数都可以用一组完备的本征解做线性展开 ”这一数学技巧成为可能狄拉克舍弃负能解，这导致他的方程的解不够完备，这在数学上是绝对不允许的，因此数学家劝告狄拉克不要丢弃那组负能解不久物理学家发现狄拉克的负能解其实就是描述“ 反物质” （一种带有正电荷的电子）的解 .这是一个伟大的发现。
狄拉克与“反物质”正电子轨迹照片银河系中央物质与反物质湮灭时产生的γ射线爆康普顿卫星 1997 年摄CERN 的反质子收集器（ AC ）和反质子存储器（ AA ）装置反物质武器的出现将会使现今所有的热核武器黯然失色显而易见，要想得到一克反物质是一件非常不容易的事且不说技术上的难度，仅它的生产费用至少也要花费十亿美元以上反物质的四项军事用途：1用作超高速火箭的推进燃料；2用作空间轨道上军用站以及其他领域的超小型、超轻型能量发生器；3用作启动各类核弹；4用作集能速武器军事科学家们认为，反物质军用的最大优点就是能量密度极大且易于点燃，不像原子弹裂变反应那样要求临界质量，也不像氢弹聚变反应那样要求起始的点火温度与传统核武器不同的是，反物质炸弹爆炸后不会形成任何辐射性残留物世界上的任何事物都是异性相吸粒子和反粒子一旦相遇，便会通过碰撞而同归于尽，互相湮没，其全部质量都将以辐射形式转变为能量这种辐射通常是电磁波根据爱因斯坦相对论中著名的质能换算公式 E=mc2，微量的反物质便能产生惊人的巨大能量前不久，美国兰德公司在一份反物质实验报告中指出，当 1克反物质与 1克物质相互碰撞湮灭时，放出的能量是 5× 107千瓦 /小时，约为 6兆瓦年 。
每百万分之一克 的反质子与质子发生湮灭( 爆炸) 后释放的能量相当于 37.8公斤的 TNT炸药，其威力之大令世人震惊科学家认为，发现半个多世纪的反物质现在到了充分研究与实际应用的时候了反物质太空飞船菲斯拉格与他的假想材料菲斯拉格与他的假想材料( Veselago & His Hypothesis Material )在经典麦克斯韦方程中，介质的折射率平方等于介质的介电系数与磁导率的乘积，那么折射率就等于介电系数与磁导率的乘积的平方根με×=2nμε×±=nμε×=nμε×−=n(正折射率，通常物质）（负折射率，？？？？）过去的研究者选择了正根（正折射率），习惯性地丢弃了负根（负折射率）当然，在常见的物质中，负数折射率介质也的确从来没有遇到过，这使得丢弃负根成为一件很 “自然” 的事情在这件事情上，在20世纪60年代以前的100年中我们是否也犯了数学家指责“ 旧式物理学家 ”所犯的那种失误呢？似乎没有人自觉地考虑过这个问题，直到菲斯拉格在30多年前首次主动地研究该种介质的可能光学与电磁学特性，情况才稍有所改变με×−=n2221ωωεp−=202221ωωωμ−−=F22mp mo220mo()1iω−ωμω=−μ ω−ω +γωωmo－磁共振频率； ωmp－磁等离子化频率ωeo－电子共振频率； ωep－电等离子化频率22ep eo220eo()1iω−ωεω=−ε ω−ω+γω只要 ω00, μ1>0 )( ε20, μ2>0)右手材料1122122,1sinsinμεμεϕφppn ==左手材料左手材料平板状的左手材料，会有类似一般凸透镜的聚光效果左手材料左手材料左手材料左手材料制作的凸透镜或凹透镜，分别会表现出散光或聚光的效果平板左手征材料聚光实验证明反常的多普勒（ Doppler）效应若光源发出频率 ω0的光，而侦测器以速度 ϖ接近光源时，在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比 ω0高，而在左手材料中，则会收到比 ω0低的频率。
SkkSvv光源光源侦测器光源光源侦测器左手征材料中一般介质与左手材料中Doppler 效应的比较ω0 ω反常的切伦科夫 （ Cerenkov）效应 在 Cerenkov 辐射效应中，当一个粒子在介质中以速度 v 沿一直线运动，其辐射出的场会遵循 的形式，波向量 k (k=kz/cosq) 的方向会主要顺着v 的方向，但kr方向分量则在一般介质与左手材料中恰好会完全相反rzi(k k t)e−ωvkzSkkrθθkSvkzSkkrkrθθkS左手材料中krSk2k反射體光源k2k反射体光源左手介質中光源光源左手材料中S反射体 电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料的环境之中形成对反射体的拖曳力，而不是如在一般介质中的压力光压和光拖曳左手征材料的可能用途左手征材料的可能用途( Potential Application of the Material )“完美透镜”(Perfect Lens)222yxkk +>μεω /传统透镜的分辨率限制 (diffraction limit)：在正折射率介质中波的汇聚必须满足条件：因此通常的透镜都不能实现将波汇聚到比真空中波长尺度更小的区域内，因为像的最小尺度：λωππ==≈Δck22max负折射率介质之所以在当前引起了极大的关注，主要就在于它不仅和寻常的介质一样能会聚行波，而且还能聚焦随距离增加快速衰减的衰减波（ evanescent wave），因此它可以用于制成具有特别优良性质的透镜（ perfect lens）。
即为衰减波时，负折射率介质可以实现对波的振幅的放大，从而仍可以实现波的聚焦222yxkk +>μεω222yxzkkk −−−=′μεω222yxkk +<μεω在负折射率介质中，当时为保证能量沿z 轴正向传播，要求,即沿z 轴负向和正折射率时的情况一样，这样能使透过透镜的波实现相位调整，从而聚焦于一点当CD左手材料制成的透镜，在合适的条件下，可以成为 “完美透镜 ”， 实现亚波长分辨率负折射率介质对衰减波有幅度增益，行波和衰减波都能聚焦成像；而且波的会聚也不再受小于波长尺度这一条件的限制 ¾ 光刻蚀技术(photolithography) ¾ 近场光学显微仪(near-field optical microscopy) ¾ 可选波长的滤光器(wavelength-tunable filter) ¾ 光学显示器 (optical displays) 可能的用途可能的用途左手征材料的启发左手征材料的启发( Illumination of the Left-handed Material )从哲学的角度来看，负折射率介质的研究也是极有意义的：有正物质，必有反物质；有正折射率，必有负折射率；事物相生相克，又共同组成了这个世界，这又一次证明了物质世界的完整性之美。
同时，事实证明了总有一些规律统率着所有的事物，所有的变化，比如麦克斯韦方程，比如能量守恒定律，这可能就是宇宙之万变中的不变左手征材料的哲学思考中国传统文化与左手征材料世界万物总是和谐统一，协调发展道家理念：天人合一天人合一世间万物和谐统一世间万物和谐统一易经的哲学内涵《周易》中的八卦是乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑它们对应的自然界是天、地、雷、风、水、火、山、泽对应的人事是父、母、长男、长女、中男、中女、少男、少女对应人体的是首、腹、足、股、耳、目、手、口天是复杂的，多义的，人也是复杂多义的，天人合一，也有多种不同形式主要是讲天人的一致性，统一性，天人可以统一于气，也可以统一于理，统一于道，统一于高尚的道德天人合一，也讲天人感应，讲天与人能够进行精神方面的相互感应因此，天人合一，既包含神秘的神学目的论的内容，也包含人与自然和谐关系的意思恩格斯在《自然辩证法》中多次讲到自然与精神的统一：自然界和精神的统一自然界不能是无理性的，……而理性是不能和自然界矛盾的思维规律和自然规律，只要它们被正确地认识，必然是互相一致的我们的主观的思维和客观的世界服从于同样的规律，……这个事实绝对地统治着我们的整个理论思维。
思维过程同自然过程和历史过程是类似的，反之亦然，而且同样的规律对所有这些过程都是适用的辩证法的规律无论对自然界和人类历史的运动，或者对思维的运动，都一定是同样适用的从科学研究本身理解从科学研究本身理解 世界远非我们所想象那样简单 人类对自然的认识非常有限 不要轻言不可能任何具体怀揣新事物前途的人都会因暂时的短视而使得自己表现得相当愚蠢，未来真实的历史必然比上面描述的要更加精彩。