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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。左手材料研究进展及应用左手材料,指的是介电常数()和磁导率()都是负数的材料(物质).在自然界中,所有物质的介电常数()和磁导率()都是正数.左手材料这种新型材料的非常之处,在于其负的介电常数和磁导率使得主导普通材料行为的许多物理特性产生逆变. 左手材料有时也被称作”异向介质”,”负折射系数材料”. 迄今为止,我们在自然界中见到的都是右手材料,右手规则一直被认为是物质世界的常规.可是,在左手材料中,电磁波的电场,磁场和波矢却构成左手关系.这也是这种材料被称为左手材料的原因.由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数,折射率也是负的,根据
2、电磁学理论,能够推断出它有很多奇异的物理特性.由于这个学期正在学习电磁场,电磁场的数学基础和这种反常自然界物质的神奇特性让我非常感兴趣.虽然阅读了较多的文献,不过很多理论还是不能理解.不过,我理解的那一部分已经受益匪浅了.比如,人的大脑要有创新精神,敢于突破常规,虽然右手规则是统治自然界物质的普遍规律,在我们的脑海中,也根深蒂固的有和同时0的概念,不过,只要敢于想,敢于创造,这种突破自然界常规的物质LHM(left hand material)就能够发挥出它巨大的功能.一.左手理论的起源和发展1967年, 前苏联物理学家Veselag。在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文, 首次报道了她在理论
3、研究中对物质电磁学性质的新发现, 即:当和都为负值时, 电场、 磁场和波矢之间构成左手关系。她称这种假想的物质为左手材料, 同时指出, 电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反, 比如光的负折射、 负的切连科夫效应、 反多普勒效应等等。这篇论文引起了一位英国人的关注, 1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。但几乎无人意识到, 材料世界从此翻开新的一页。左手材料的研究发展并不是一帆风顺。在这一具有颠覆性的概念被提出后的30年里, 尽管它有很多新奇的性质, 但由于只是停留在理论上, 而在自然界中尚未发现实际的左手材料, 因此, 这一学术假设并没有马上被人接受, 而是处于几乎
4、无人理睬的境地, 直到将近本世纪时才开始出现转机。英国科学家Pendry等人在1998-1999年提出一种巧妙的设计结构能够实现负的介电系数与负的磁导率, 从此以后, 人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。 的突破, 为左手材料的研究形成热潮莫定了历史性基础。 , 美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等人的建议, 利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、 负磁导率的物质, 她们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质, 微波以负角度偏转, 从而证明了左手材料的存在。 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,
5、 这将可能对电子通讯业产生重大影响, 相关研究成果也发表在当月的美国应用物理快报上。 底, 麻省理工学院孔金甄教授从理论上证明了左手材料存在的合理性, 并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、 聚焦微波波束、 实现”完美选镜”、 用于电磁波隐身等等。左手材料的前景开始引起学术界、 产业界特别是军方的无限遐想。 是左手材料研究获得多项突破的一年。美国西稚图Boeing Phantom Works的C. Parazzoli与加拿大University of Toronto电机系的G.日eftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负拆射定律;IowaState Universit
6、y的S. Foteinopoulou也发表了利用光子晶体做为介质的左手物质理论仿真结果;美国麻省理工学览的E.Cubukcu和K.Aydin在自然杂志发表文章, 描述了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。基于科学家们的多项发现, 左手材料的研制赫然进入了美国科学杂志评出的 全球十大科学进展, 引起全球瞩目。二.LHM的理论解释(1)k,E,H的左手关系从Maxwell方程出发:对于各向同性的LHM,存在本构关系:D =E B =H从波动方程:得到色散关系:其中为折射率的平方。对于折射率n,当和同时0时,符合色散关系,波动方程有解。若同时改变介电常数和磁导率的符号,使得和同时0、 0
7、时, 如图1(a)所示,电场E,磁场H 和波矢量k 满足右手螺旋关系; 而当0、 0、 0 时, 能量流动方向S和电磁波的传播方向k是一致的;而当0、 0, 0)(b) 左手( 0, 0)图(1) 电场、 磁场、 波向量与能流密度方向之间的向量关系同时,LHM必须是色散物质,这一点能够由电磁场能量表示式看出 式(1)因为,如果不存在色散的话,根据式(1)0,0称为正折射,左手材料中n20称为负折射。折射角的大小仍可由折射定理给出,当n2=-n2时,由折射定理n1sin1=n2sin2能够得到一个负折射角,此时折射线和入射线出现在法线的同侧。用它制成的透镜与普通玻璃透镜相比有着完全不同效果,如用
8、LHM做成的凸(凹)透镜对光线有发散(汇聚)作用,与玻璃透镜的情况正好相反,如图(3)所示。图(3) 左手媒质做成的透镜对光的折射(3)LHM负的Doopler效应在左手材料中波矢方向与能流方向相反,如图(4)所示。若探测器向光源(频率为0)靠近时,在RHM中探测到的频率比0高,而在LHM中探测到的频率比0低。若探测器离开光源时,在RHM中探测到的频率比0低,而在LHM中探测到的频率比0高。左手材料中源的辐射性传播并不是向前而是指向辐射源。图(4) 两种媒质的Doopler效应描述电磁波功率流动的坡印亭矢量表示为S=EH*,因各个构成量并不依赖构成材料电磁参数符号的变化而变,表明在左手媒质中坡
9、印亭矢量和群速仍与在右手媒质中相同。(4)LHM的分界面条件从Maxwell方程我们得到电磁波经过两种媒质界面时K、 E、 H的切向分量连续不受影响,法向边界条件不连续,满足边界条件:(4)(5)当 ,从(4)、 (5)式可得出En1、 Hn1分别与En2、 Hn2符号相反,而切线分量不变,则能流S的方向(EH)在LHM中与波矢K方向相反(图5所示)。研究者们从试验现象上进行了验证,如C.Caloz用软件对LHM和RHM交界处进行仿真模拟,得到了各量在分界面处的变化情况。结果归纳如图所示。图(5)RHM 和LHM 交接面处的边界条件(5)LHM的本征阻抗值电磁波从RHM入射到LHM,为便于研究
10、,不妨设在两种材料中传能量输相同,使时能量完全匹配,电磁波完全从一种媒质进入到另一种媒质中,则在交界面处反射系数必须为零,对于垂直入射波( )有或者 ,阻抗值由材料的无源特性决定,因此左手材料的阻抗仍为正值。(6) 完美透镜”完美透镜”的概念如下: 当一束光源从真空射入左手介质组成的平板时, 由于左手介质的负折射率导致折射光线以相对于表面的负角度偏折, 使得原先从一个光源发出的光线重新聚焦于一点, 如图6 所示。图(6)完美透镜示意图当透镜的相对介电常数和相对磁导率皆为- 1; 即r= - 1, r = - 1, 此时透镜介质阻抗与真空相同。此时透镜与外部媒质的分界面上达到良好的匹配,其反射系
11、数为零。Pendry 认为, 在这种情况下, 传播波与消失波对图像的分辨率都有贡献。因此, 在重构一副图像时, 不受实际尺寸和透镜表面完美性的限制。能够实现”理想成像”。(7) 负介电常数实现的理论解释等离子体的介电常数表示为Drude模型:其中等离子体频率 ,m为总动量值,N为平均电荷密度。其介电常数随频率变化而变化,当工作频率低于p时,将p()0,此时波矢为虚数,电磁波不能在等离子体内传播。J.Pendry为左手材料的实现奠定了理论基础,1996年发表论文指出,周期排列的金属细线(rod)对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为相似,其原理是电磁场在金属细线上产生感应电流,正负电荷分别向
12、细线两端聚集,从而产生与外来电场反相的电动势。当电磁波电场极化方向与金属线平行时起高通滤波作用,在低于电等离子频率时材料介电常数会出现负值,且满足表示式:p是电等离子频率,此时 ,n为金属内的电荷密度,r为细线半径,是细线间距。e是电谐振频率,当频率出现在e和p之间时eff出现负值(8)负磁导率实现的理论解释1999年Pendry提出另外一种结构,周期排列且单元尺寸远比波长小的金属开环谐振器SRRs(split ring resonators)。开环谐振器在受到微波磁场的作用会感应出环电流,这好比一个磁矩,加强或者抵抗原磁场,在谐振频率处会出现负磁导率,且满足表示式:F为SRRs在一个单元的填
13、充因子,0为依赖于SRRs结构的谐振频率,m是磁等离子频率,是损耗因子。0m,eff出现负值。三 左手材料的实现(1)微波段LHM的合成1)基于SRRs和金属线的 LHM合成Smith和Shelby等人根据负介电常数和负磁导率获得的方法将Rods近距离放在SRRs附近,经过周期排列构成复合材料。在此复合材料中,由于外部电场和磁场在金属结构上的感应电流同时起作用,使得介电常数和磁导率表示式都体现出Drude模型的形式。经过计算、 仿真和实验验证,使Rods和SRRs复合材料介电常数和磁导率分别为负的频率范围有重合(图7为Smith实验样本的基本构成)。频率在10.210.8GHz范围内材料的、 都出现负值,在谐振频率范围内折射系数表现为负值,出现负折射现象。图7(a)为一个单元开环谐振器(SRR),形状是正方形,c=0.25mm,d=0.30mm,g=0.46mm,w=2.62mm,铜厚度为0.03mm;图7(b)为在玻璃纤维母板两侧植入铜质开环谐振子和细铜线,每个结构单元由6个谐振子和两根细铜线组成,两块母板夹角为90;图7(c)为A实验材料
