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“超材料(metamaterials)”:超越天然材料的自然极限(4)

已有 8194 次阅读 2007-8-29 14:54 |个人分类:材料科学

4、“左手材料”

众所周知,麦克斯韦理论表明,电磁波在普通介质中传播时遵循“右手定则”。而韦谢拉戈给出了一种奇异的介质,在这种介质中,电场强度 、磁场强度 和电磁波波矢 之间遵守左手定则,由此称之为“左手材料”。

手材料是近年来新发现的某些物理特性完全不同于常规材料的新材料,在电磁波某些频段能产生负介电常数和负磁导率,导致电磁波的传播方向与能量的传播方向相反,产生逆多普勒效应、逆Snell折射效应、逆Cerenkov辐射效应以及“完美透镜”等奇异的电磁特性。这些特性可望在信息技术、军事技术等领域获得重要应用。

介电常数ε和磁导率μ是描述物质电磁性质的基本物理量。由于这两个参数出现在麦克斯韦方程式中,因此,ε和μ也是描述电磁波在物质中传播的重要物理量,决定着电磁波在物质中的传播特性。介电常数ε和磁导率μ是频率的函数,在某一时刻,电位移矢量 和磁感应强度矢量 决定于电场强度 和磁场强度 。当ω→0,ε(ω)和μ(ω)趋于其正的静态值;ω→∞时,由于极化过程跟不上频率的变化,ε(ω)和μ(ω)趋于1。因此,在两个极限情况下,ε(ω)和μ(ω)均为正值。但在中间频率阶段, Re[ε]Re[μ]可取负值。如金属材料在等离子频率以下具有负的ε(ω)值,铁磁体在铁磁共振附近具有负的μ(ω)值。历史上,电动力学仅研究ε(ω)和μ(ω)均为正,或其中一个值为负的情况。如果ε和μ同时为正值,则电场、磁场和传播方向形成了右手矢量关系这就是通常右手材料的情形。

但如果ε和μ同时为负值,则电场、磁场和传播方向形成了左手矢量关系,这也就是“左手材料”称谓的由来。 的方向也就是 的方向,和坡印廷矢量 的方向相反

当电磁波在“左手材料”中传播时,将会表现出一些奇异的特性。例如:

 (1)电磁波的群速方向与相速方向反向平行,即波矢的方向与能量的传播方向相反EHK之间满足左手定律。 

   2)逆多普勒效应(Reversed Doppler Effect)。在左手材料中所观测到的频率变化与右手材料中的效应相反。在右手材料中,当观察者向着波源运动时,观察者所测到的频率要高于波源振动的频率,这就是多普勒效应;在左手材料中,同样当观察者向着波源运动时,观察者所测到的频率要低于波源振动的频率,此为逆多普勒效应。

3)逆Snell折射效应(Reversed Snell Refraction)。折射率为负值,在左手材料和右手材料的界面处,折射线和入射线居于界面法线的同侧。因此会呈现出所谓的“完美透镜”现象。  

4)逆Cerenkov辐射效应(Reversed Cerenkov Radiation)。当带电粒子在介质中运动时,介质中产生诱导电流,由这些诱导电流激发次波,当带电粒子的速度超过介质中的光速时,这些次波与原来的电磁场互相干涉,可以形成辐射电磁波。这种辐射称为Cerenkov辐射。在右手材料中电磁波激发的辐射以锐角向前散射,而在左手材料中,电磁波的辐射方向发生了改变。在左手材料中则以钝角向后散射。 

左手材料从提出到实现经历了30多年的历程。直到199699年,英国科学家Pendry等人相继提出了可能构造左手材料的巧妙设计方法[2],即用金属条和开口金属谐振环周期性地规则排列,则有望在微波波段产生负等效ε和负等效μ2001年,美国加州大学圣迭戈分校的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,他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[3]2003年,加拿大科学家 Eleftheriades基于电子学中的传输线理论,实现了一种不倚赖于金属结构来实现左手材料的放案,通过“反传输线”连接在一起形成网络,实现了微波频段的负折射[8]

2002年,麻省理工学院孔金瓯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可能用于电磁波隐身等等[9]2006年初,Pendry等预测预言了超材料薄层能够让光线绕过物体,从而使物体隐形[10]。就在他们提出隐身斗蓬的可行性技术构想之后几个月,200610月,Smith等展示了这种斗篷的雏形[11]

“隐身斗篷”的基本原理是,通过在物体表面包覆一层具有特殊设计的、具有一定介电常数和磁导率分布的材料,使入射光或电磁波将被弯曲,并且绕过包覆层,从而出现隐身人的结果。其原理如图8所示。通俗的讲,身穿隐身斗篷的人就好像在空间中挖开了一个洞,任何光和电磁波将直接穿透这个洞,从而不会看到斗篷中隐藏的物质。隐身斗篷将不仅仅被应用于“隐身”,凭借它的帮助,任何电磁信号都可以更为有效的绕开干扰和阻隔,从而保持信号的完整性。

近年来人们,开始探索光学波段的左手材料,人们通过双金属棒结构、渔网结构等演示了通过金属结构在光波段实现负折射和完美透镜成像的可能性。纳米加工技术正在其中发挥着越来越大的作用。

 



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