电磁超材料发展概述-1/3(连载)

前言:近二十年来,超材料技术研究受到广泛关注,结合日常科研教学相关积累,总结分享相关个人浅薄理解与感悟(侧重原始学术论文推荐和相关技术介绍)。

先来介绍几个基本概念。

电磁超材料(EM metamaterial)描述的是一类具有特殊性质(meta含义出于此)的人工电磁结构材料,含义丰富,根据使用场合不同,也称之为左手材料、光子晶体、双负材料、超构材料等等。

电磁超材料在宏观上表现的特殊性质取决于其周期电磁结构组成,仿照自然界的材料在微观上由分子和原子组成的规律,通常也称电磁超材料的周期单元为人工原子或分子

特别需要指出的是,在电磁超材料提出的初期,其周期结构与传统周期电磁结构,如频率选择表面,在电尺寸上还是有显著的区别的。不过随着两者研究的相互借鉴和深入交叉,现在都没啥本质差别了,都集中在1/2波长到1/10波长甚至更小电尺寸区间范围内。

电磁超材料的主要作用就是调整和控制电磁波在空间的传输特性。回顾超材料的发展历程,个人认为总共经历了三个重要阶段,每个阶段的进步都是伴随着大胆的猜想、关键的理论和先进的设计,进而催生出一系列颠覆性的概念或技术。

发展阶段一

第一个阶段可以追溯至1968年前苏联物理学家V. G. Veselago提出的左手材料,Veselago从麦克斯韦方程出发,对电磁波在拥有负介电常数和负磁导率材料(双负材料)中传播的情况进行了理论分析,发现反常传输特性,因此提出了左手材料的新概念,由于缺乏实验验证,该工作一直停留在理论假说上[1] (很可惜老先生已于2018年9月份去世,深切缅怀)。

V. G. Veselago

V. G. Veselago

九十年代末期,英国帝国理工大学J. Pendry教授提出了左手材料设计的两个关键要素—金属线阵列和开口谐振环(Split-Ring Resonator, SRR)[2-3],利用金属线阵列可以构造出等效介电常数为负的周期结构,利用开口谐振环可以构造出等效磁导率为负的周期结构,两者结合可以实现Veselago论文中提到双负媒质(Double-Negative Media, DNM)[4]。

J. Pendry

J. Pendry

2000年,Pendry教授在《科学》杂志上发表利用DNM的负折射特性设计完美透镜的经典之作[5](论文单篇引用次数超过1.1万次)。

DNM perfect lens

DNM perfect lens

2001年,美国加州大学的D. R. Smith在《科学》杂志上发表了验证左手材料存在的论文,首次在实验室实现介电常数和磁导率同时为负的左手材料[6]。2003年,“波音幻影工作室”(Boeing Phantom Works)的C. G. Parazzoli根据斯涅尔定律(Snell’s Law)实验研究了左手材料的传输特性,在12.6 GHz直接观测到了负折射现象[7]。

D. Smith

D. Smith

[小插曲]关于2003年的测试,最大的质疑来自俄亥俄州州立大学的Ben. A. Munk教授(已于2009年3月去世),他的著作《Metamaterials Critique and Alternatives》(有中文版《超材料:批判与抉择》)1.4节专门讨论了这个问题,感兴趣的朋友可以专门看看,有意思。另外熟悉频率选择表面的朋友都知道,Munk教授这方面的权威,编写了《频率选择表面理论与设计》和《限大天线阵列和频率选择表面》两本经典著作,是周期矩量法的提出者,对双负材料持反对态度。

E-books

E-books

2005年,Smith教授提出了基于网络参数反演超材料等效介电常数和等效磁导率的计算方法,进一步促进了左手材料的应用推广[8]。左手材料的提出和实现极大地丰富了声、光、电、磁等科学领域的研究,其奇异的物理特性迅速成为国际物理学界和电磁学界研究的热点。

Parameter retrieval

Parameter retrieval

精选参考文献

[1] Veselago V G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ɛ and μ[J]. Soviet Physics Uspekhi, 1968, 10(4):509-514.

[2] Pendry J B, Holden A J, Stewart W J, et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures.[J]. Physical Review Letters, 1996, 76(25): 4773-4776.

[3] Pendry J B, Holden A J, Robbins D J, et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47(11): 2075-2084.

[4] Smith D R, Padilla W J, Vier D C, et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J]. Physical Review Letters, 2000, 84(18): 4184-4187..

[5] Pendry J B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens[J]. Physical Review Letters, 2000, 85(18): 3966-3969.

[6] Shelby R A, Smith D R, Schultz S, et al. Experimental verification of a negative index of refraction[J]. Science, 2001, 292(5514): 77-79.

[7] Parazzoli C G, Greegor R B, Li K, et al. Experimental verification and simulation of negative index of refraction using Snell’s law[J]. Physical Review Letters, 2003, 90(10): 107401.

[8] Smith D R, Vier D C, Koschny T, et al. Electromagnetic parameter retrieval from inhomogeneous metamaterials[J]. Physical review E, 2005, 71(3): 036617.

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