左右材料及負折射率研究進展

1、 報告人： 沈江漢 導師： 劉中民 研究員 輔助導師： 王華 副研究員 Seminar I主要內(nèi)容什么是左手材料（Left-Handed Metama-terials)與負折射率左手材料的研究與進展負折射率的應用前景左手材料（LHM）與負折射率 在經(jīng)典電動力學中，介質的電磁性質可以用介電常數(shù)和磁導率兩個宏觀參數(shù)來描述。正弦時變電磁場的波動方程（Helmholtz方程）為： （1） 其中2Ek E0 2222r0r0k 2Bk B0 2v自然界中物質的和一般都與電磁波頻率有關，并且在 大多數(shù)情況下都為正數(shù)，此時方程(1)有波動解，電磁波能在其中傳播。對于無損耗、各向同性、空間均勻的介質，由Max

2、well方程組能推出 可見， 、 、 之間滿足右手螺旋關系。kE Hv如果介質的和都小于零，方程(1)有波動解，電磁波能在其中傳播。但是 、 、 之間不再滿足右手螺旋關系而是滿足左手螺旋關系。這種介質就被稱為“左手材料左手材料” （Left-Handed Metamaterials)通常的介質就被稱為“右手材料” (Right-Handed Materials)kHE kHE kEH 0k E 0k H v如果介質的和兩者之間一個為正數(shù)而另一個為負數(shù)， 則k2 0, 0)左手材料( 0, 0, 0)左手材料( 0, 0, 10 )( 20, 20, 10 )( 20, 20, 20)右手材料反

3、常的Doppler效應 若光源發(fā)出頻率 0 的光，而偵測器以速度v接近光源時，在一般介質之中偵測器所接收到的電磁波頻率將比 0高，而在左手材料中，則會收到比0低的頻率。Skk kS SkvSv光源光源vv偵測器光源光源偵測器左手材料中Fig 3. 一般介質與左手材料中Doppler效應的比較。反常的Cerenkov效應和光壓v 在 Cerenkov 輻射效應中，當一個粒子在介質中以速度 v 沿一直線運動，其輻射出的場會遵循 的形式，波向量 k (k=kz/cos) 的方向會主要順著v的方向，但kr 方向分量則在一般介質與左手材料中恰好會完全相反。 v 電磁輻射對反射體造成的光壓，在左手材料的環(huán)

4、境之中形成對反射體的拉曳力，而不是如在一般介質中的壓力。rzi( kkt )evkzSkkrkSvkzSkkrkrkSvkzkkv左手材料中krSk2k反射體光源k2k反射體光源左手介質中Sk2k光源2k光源左手材料中S反射體(b)(a)Fig 4. 一般介質與左手材料中的比較：(a) Cerenkov效應；(b) 光壓左手材料的研究與進展Veselago V.G. , Sov. Phys. Usp. ,1968,10,509&1968年Veselago對電磁波在介電常數(shù)和磁導率同時為負數(shù)的介質中的傳播特點作過純理論的研究。 但自然界中沒有發(fā)現(xiàn)和同時為負數(shù)的介質存在，所以他的研究結果在

5、20世紀一直沒有得到實驗驗證，人們對左手材料的興趣也基本消失了。&1996-1999年，Pendry等人相繼提出了用周期性排列的 金屬條和開口金屬諧振環(huán)(Split-Ring Resonator)可以在微波波段產(chǎn)生負等效介電常數(shù)和負等效磁導率。Pendry J.B. ,et al. , Phys. Rev. Lett. ,1996,76,4773Pendry J.B. ,et al. , IEEE Trans. Microwave Theo. and Tech. ,1999,47,2075&2000年，Smith等人將金屬絲板和SRR板有規(guī)律地排列在一起，制作了世界上第一塊等效

6、介電常數(shù)和等效磁導率同時為負數(shù)的介質。Smith D.R. ,Willie J. ,et al. , Phys. Rev. Lett. ,2000,84,4184左手材料的研究與進展&2003年，Parazzoli等人在實驗和數(shù)值模擬上進一步驗證了NIM中的Snell定律，為左手物質是否真實存在的爭論暫時劃下了一個句點 。Parazzoli C. G. ,Greegor R. B. ,et al , Phys. Rev. Lett. ,2003,90,107401&2001年，Shelby等人首次在實驗上證實了當電磁波斜入射到左手材料與右手材料的分界面時，折射波的方向與入射波的

7、方向在分界面法線的同側。Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77負折射率的應用發(fā)展前景 負折射率材料可以用于平板透鏡，光束控制，耦合器等方面。v“完美透鏡” (Perfect Lens)的概念與應用L傳統(tǒng)透鏡的分辨率限制(diffraction limit)： x2/k= 這也是造成DVD讀寫密度限制和光刻電路密度限制的主要原因。J左手材料制成的透鏡，在合適的條件下，可以成為“完美透鏡”，實現(xiàn)亞波長分辨率。v“完美透鏡”的局限與解決方法 雖然負折射率材料制成的“完美透鏡”可以實現(xiàn)亞波長分辨率，但是實現(xiàn)“完美透鏡”的條件是相當苛刻的。目

8、前還只能在微波區(qū)段實現(xiàn)負折射率，而且頻率范圍很窄。它們都是對電磁波有較大的損耗，而且很難將尺寸制作到足夠小以至于在光學頻率下使用。 光子晶體 (Photonic Crystals)Fig 11. Photonic Crystals: (a), (b) Holes-in-dielectric; (c) rods-in-air(c)光子晶體(PC)是由兩種或兩種以上的電介質材料周期性排列而成的人造材料，排列周期為波長量級，具有光電帶隙，可以控制電磁波在其中的傳播。在一定條件下，它也可以表現(xiàn)出負折射率的現(xiàn)象。Parimi P., Lu W., et al. ,Phy. Rev. Lett. ,200

9、4,92,127401Fig 12 (a) Experimental setup (not to scale). (b) Propagation vectors for positive and negative refraction. (c) (f ) Microwave electric field maps in the far field region. (c) Negative and (e) positive refraction by the metallic PC prism for the incident beam along K (incident angle 30 ).

10、 WF(wave front) with respect to refracting surface. (d) Negative refraction for the incident beam along M (incidence angle 60). (f ) Positive refraction by a polystyrene prism. In all the field maps, approximate area of each field map is 43 40 cm2. 光子晶體的 “等效負折射率”可以由構成材料的電介質的介電常數(shù)和材料周期性來調(diào)整，而且在高頻率下有著很低

11、的電磁損耗，三維PC比較容易制成，因此PC比左手材料更容易實現(xiàn)紅外和光學頻率下的應用。展望 光刻蝕技術(photolithography) 近場光學顯微儀 (near-field optical microscopy) 可選波長的濾光器 (wavelength-tunable filter) 光學顯示器 (optical displays) 新材料往往伴隨著新現(xiàn)象和新技術的發(fā)展。隨著負折射率材料的發(fā)展，許多原有的技術將得到新的發(fā)展。Fig 5. (A) A negative index metamaterial formed by SRRs and wires deposited on opp

12、osite sides lithographically on standard circuit board. The height of the structure is 1 cm. (B) The power detected as a function of angle in a Snells law experiment performed on a Teflon sample (blue curve) and a negative index sample (red curve).Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77Fi

13、g 6. Unit cell of the 901 HWD structure. The direction of propagation of the electromagnetic field is along the x axis, the electric field is oriented along the z axis, and the magnetic field is along the y axis. C=0.025 cm, D=0.030 cm, G=0.046 cm, H= 0.0254 cm, L= 0.33 cm, S= 0.263 cm, T= 17.010-4

14、cm, W= 0.025 cm, and V= 0.255 cm.Fig 7. Schematic of the setup used in the Snells law experiment showing the conical horn, lens, sample, and waveguide detector. The measurements were made in the focused and collimated mode at 33 and 66 cm away from the sample.Parazzoli C. G. ,Greegor R. B. ,et al ,

15、Phys. Rev. Lett. ,2003,90,107401Fig 8. Surface plot of measured normalized Ez(r,f ). Refracted peaks :by Teflon at 48.2(n=1.4) and is independent of frequency; by the NIM , however, at 12.6GHz,-30.6 (n=-1.0454) that are a function of the frequency.Fig 9. (a) Measured angular profile of the normalize

16、d Ez(r), at f =12.6 GHz for detector distances of 33 and 66 cm from the wedges. (b) Measured 33 cm data compared to simulated results at 33, 66, and 238 cm (100)from the wedges.Fig 10. Perfect lensing in action: (A) the far field and (B) the near field, translating the object into a perfect image. (C) Microwave experiments* demonstrate that subwavelength focusing is possible, limited only by losses in the system. (D) Measured data compared to the perfect