左手材料研究進展及應用模板

資料內(nèi)容僅供您學習參考，如有不當或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。左手材料研究進展及應用

左手材料,指的是介電常數(shù)(ε)和磁導率(μ)都是負數(shù)的材料(物質(zhì)).在自然界中,所有物質(zhì)的介電常數(shù)(ε)和磁導率(μ)都是正數(shù).左手材料這種新型材料的非常之處,在于其負的介電常數(shù)和磁導率使得主導普通材料行為的許多物理特性產(chǎn)生逆變.左手材料有時也被稱作”異向介質(zhì)”,”負折射系數(shù)材料”.迄今為止,我們在自然界中見到的都是右手材料,右手規(guī)則一直被認為是物質(zhì)世界的常規(guī).可是,在左手材料中,電磁波的電場,磁場和波矢卻構(gòu)成左手關(guān)系.這也是這種材料被稱為"左手材料"的原因.由于這種材料的介電常數(shù)和磁導率都是負數(shù),折射率也是負的,根據(jù)電磁學理論,能夠推斷出它有很多奇異的物理特性.由于這個學期正在學習電磁場,電磁場的數(shù)學基礎(chǔ)和這種反常自然界物質(zhì)的神奇特性讓我非常感興趣.雖然閱讀了較多的文獻,不過很多理論還是不能理解.不過,我理解的那一部分已經(jīng)受益匪淺了.比如,人的大腦要有創(chuàng)新精神,敢于突破常規(guī),雖然右手規(guī)則是統(tǒng)治自然界物質(zhì)的普遍規(guī)律,在我們的腦海中,也根深蒂固的有ε和μ同時>0的概念,不過,只要敢于想,敢于創(chuàng)造,這種突破自然界常規(guī)的物質(zhì)LHM(lefthandmaterial)就能夠發(fā)揮出它巨大的功能.一.左手理論的起源和發(fā)展1967年,前蘇聯(lián)物理學家Veselag。在前蘇聯(lián)一個學術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文,首次報道了她在理論研究中對物質(zhì)電磁學性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn),即:當ε和μ都為負值時,電場、磁場和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系。她稱這種假想的物質(zhì)為左手材料,同時指出,電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反,比如光的負折射、負的切連科夫效應、反多普勒效應等等。這篇論文引起了一位英國人的關(guān)注,1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個前蘇聯(lián)物理類學術(shù)刊物上。但幾乎無人意識到,材料世界從此翻開新的一頁。

左手材料的研究發(fā)展并不是一帆風順。在這一具有顛覆性的概念被提出后的30年里,盡管它有很多新奇的性質(zhì),但由于只是停留在理論上,而在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)實際的左手材料,因此,這一學術(shù)假設(shè)并沒有馬上被人接受,而是處于幾乎無人理睬的境地,直到將近本世紀時才開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機。英國科學家Pendry等人在1998-1999年提出一種巧妙的設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)負的介電系數(shù)與負的磁導率,從此以后,人們開始對這種材料投入了越來越多的興趣。的突破,為左手材料的研究形成熱潮莫定了歷史性基礎(chǔ)。,美國加州大學SanDiego分校的DavidSmith等物理學家根據(jù)Pendry等人的建議,利用以銅為主的復合材料首次制造出在微波波段具有負介電常數(shù)、負磁導率的物質(zhì),她們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì),微波以負角度偏轉(zhuǎn),從而證明了左手材料的存在。7月,瑞士ETHZ實驗室的科學家們宣布制造出三維的左手材料,這將可能對電子通訊業(yè)產(chǎn)生重大影響,相關(guān)研究成果也發(fā)表在當月的美國《應用物理快報》上。底,麻省理工學院孔金甄教授從理論上證明了左手材料存在的合理性,并稱這種人工介質(zhì)可用來制造高指向性的天線、聚焦微波波束、實現(xiàn)”完美選鏡”、用于電磁波隱身等等。左手材料的前景開始引起學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界特別是軍方的無限遐想。是左手材料研究獲得多項突破的一年。美國西稚圖BoeingPhantomWorks的C.Parazzoli與加拿大UniversityofToronto電機系的G.日eftheriades所領(lǐng)導的兩組研究人員在實驗中直接觀測到了負拆射定律;IowaStateUniversity的S.Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子晶體做為介質(zhì)的左手物質(zhì)理論仿真結(jié)果;美國麻省理工學覽的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》雜志發(fā)表文章,描述了電磁波在兩維光子晶體中的負折射現(xiàn)象的實驗結(jié)果。基于科學家們的多項發(fā)現(xiàn),左手材料的研制赫然進入了美國《科學》雜志評出的全球十大科學進展,引起全球矚目。二.LHM的理論解釋(1)k,E,H的左手關(guān)系從Maxwell方程出發(fā):

對于各向同性的LHM,存在本構(gòu)關(guān)系:D=εE

B=μH從波動方程:

得到色散關(guān)系:其中為折射率的平方。對于折射率n,當ε和μ同時>0時,符合色散關(guān)系,波動方程有解。若同時改變介電常數(shù)和磁導率的符號,使得ε和μ同時<0,能夠看到她們的乘積數(shù)值相同,波動方程同樣會有解,這并不違反Maxwell定律。但電磁參數(shù)同時為負的解必然和一般的不同,從而得到電磁波的特性必然有很大差異。由麥克斯韋的兩個旋度方程:

電磁波在無源媒質(zhì)中傳播時可得由能夠看出,當ε>0、μ>0時,如圖1(a)所示,電場E,磁場H和波矢量k滿足右手螺旋關(guān)系;而當ε<0、μ<0時,上述三者滿足左手螺旋關(guān)系,如圖1(b)所示。另外,描述電磁波能流密度的坡印廷矢量定義為:S=E×H由此看出,能流密度與電場E、磁場H滿足右手螺旋關(guān)系。從而能夠得出一個有意思的結(jié)論,當ε>0、μ>0時,能量流動方向S和電磁波的傳播方向k是一致的;而當ε<0、μ<0時,兩者的方向卻是相反的。波矢k代表相位傳播方向,波印廷矢量S代表能流傳播方向,即群速度傳播方向.因此LHM是一種相速度與群速度相反的物質(zhì).

(a)右手(ε>0,μ>0)

(b)左手(ε<0,μ<0)

圖(1)電場、磁場、波向量與能流密度方向之間的向量關(guān)系

同時,LHM必須是色散物質(zhì),這一點能夠由電磁場能量表示式看出

式(1)因為,如果不存在色散的話,根據(jù)式(1)ε<0,μ<0,總能量將為負值.

(2)LHM具有負的折射特性圖2中,如果媒質(zhì)2同時擁有負參數(shù),它的折射系數(shù)表征為:

式(2)圖(2)

電磁波在RHM和LHM兩種材料分界面的傳播由于兩個負數(shù)乘積與兩個正數(shù)乘積的值相同,等式(2)得到與正參數(shù)媒質(zhì)相同的折射系數(shù)。為便于區(qū)分和保持參數(shù)的一致性,假設(shè)媒質(zhì)2有損耗且其電磁參數(shù)為復數(shù):

式(3)當:Re(ε2r),Re(μ2r)為正時,

0≤θε,μ≤π/2Re(ε2r),Re(μ2r)為負時,

π/2≤θε,μ≤π將(3)代入(2)中得到:這樣折射系數(shù)明確地由構(gòu)成媒質(zhì)電磁參數(shù)的正負所決定,即右手材料中n2>0稱為正折射,左手材料中n2<0稱為負折射。折射角的大小仍可由折射定理給出,當n2=-｜n2｜時,由折射定理n1sinθ1=n2sinθ2能夠得到一個負折射角,此時折射線和入射線出現(xiàn)在法線的同側(cè)。用它制成的透鏡與普通玻璃透鏡相比有著完全不同效果,如用LHM做成的凸(凹)透鏡對光線有發(fā)散(匯聚)作用,與玻璃透鏡的情況正好相反,如圖(3)所示。圖(3)左手媒質(zhì)做成的透鏡對光的折射

(3)LHM負的Doopler效應在左手材料中波矢方向與能流方向相反,如圖(4)所示。若探測器向光源(頻率為ω0)靠近時,在RHM中探測到的頻率比ω0高,而在LHM中探測到的頻率比ω0低。若探測器離開光源時,在RHM中探測到的頻率比ω0低,而在LHM中探測到的頻率比ω0高。左手材料中源的輻射性傳播并不是向前而是指向輻射源。圖(4)兩種媒質(zhì)的Doopler效應描述電磁波功率流動的坡印亭矢量表示為S=E×H*,因各個構(gòu)成量并不依賴構(gòu)成材料電磁參數(shù)符號的變化而變,表明在左手媒質(zhì)中坡印亭矢量和群速仍與在右手媒質(zhì)中相同。

(4)LHM的分界面條件從Maxwell方程我們得到電磁波經(jīng)過兩種媒質(zhì)界面時K、E、H的切向分量連續(xù)不受影響,法向邊界條件不連續(xù),滿足邊界條件:

(4)

(5)當,,從(4)、(5)式可得出En1、Hn1分別與En2、Hn2符號相反,而切線分量不變,則能流S的方向(E×H)在LHM中與波矢K方向相反(圖5所示)。研究者們從試驗現(xiàn)象上進行了驗證,如C.Caloz用軟件對LHM和RHM交界處進行仿真模擬,得到了各量在分界面處的變化情況。結(jié)果歸納如圖所示。圖(5)RHM和LHM交接面處的邊界條件

(5)LHM的本征阻抗值電磁波從RHM入射到LHM,為便于研究,不妨設(shè)在兩種材料中傳能量輸相同,使時能量完全匹配,電磁波完全從一種媒質(zhì)進入到另一種媒質(zhì)中,則在交界面處反射系數(shù)必須為零,對于垂直入射波()有或者,阻抗值由材料的無源特性決定,因此左手材料的阻抗仍為正值。(6)完美透鏡”完美透鏡”的概念如下:當一束光源從真空射入左手介質(zhì)組成的平板時,由于左手介質(zhì)的負折射率導致折射光線以相對于表面的負角度偏折,使得原先從一個光源發(fā)出的光線重新聚焦于一點,如圖6所示。圖(6)完美透鏡示意圖當透鏡的相對介電常數(shù)和相對磁導率皆為-1;即εr=-1,μr=-1,此時透鏡介質(zhì)阻抗與真空相同。此時透鏡與外部媒質(zhì)的分界面上達到良好的匹配,其反射系數(shù)為零。Pendry認為,在這種情況下,傳播波與消失波對圖像的分辨率都有貢獻。因此,在重構(gòu)一副圖像時,不受實際尺寸和透鏡表面完美性的限制。能夠?qū)崿F(xiàn)”理想成像”。

(7)負介電常數(shù)實現(xiàn)的理論解釋

等離子體的介電常數(shù)表示為Drude模型:其中等離子體頻率,m為總動量值,N為平均電荷密度。其介電常數(shù)隨頻率變化而變化,當工作頻率低于ωp時,將εp(ω)<0,此時波矢為虛數(shù),電磁波不能在等離子體內(nèi)傳播。J.Pendry為左手材料的實現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ),1996年發(fā)表論文指出,周期排列的金屬細線(rod)對電磁波的響應與等離子體對電磁波的響應行為相似,其原理是電磁場在金屬細線上產(chǎn)生感應電流,正負電荷分別向細線兩端聚集,從而產(chǎn)生與外來電場反相的電動勢。當電磁波電場極化方向與金屬線平行時起高通濾波作用,在低于電等離子頻率時材料介電常數(shù)會出現(xiàn)負值,且滿足表示式:ωp是電等離子頻率,此時,n為金屬內(nèi)的電荷密度,r為細線半徑,α是細線間距。ωe是電諧振頻率,當頻率出現(xiàn)在ωe和ωp之間時εeff出現(xiàn)負值

(8)負磁導率實現(xiàn)的理論解釋1999年P(guān)endry提出另外一種結(jié)構(gòu),周期排列且單元尺寸遠比波長小的金屬開環(huán)諧振器SRRs(splitringresonators)。開環(huán)諧振器在受到微波磁場的作用會感應出環(huán)電流,這好比一個磁矩,加強或者抵抗原磁場,在諧振頻率處會出現(xiàn)負磁導率,且滿足表示式:F為SRRs在一個單元的填充因子,ω0為依賴于SRRs結(jié)構(gòu)的諧振頻率,ωm是磁等離子頻率,Γ是損耗因子。ω0<ω<ωm,μeff出現(xiàn)負值。

三左手材料的實現(xiàn)(1)微波段LHM的合成1)基于SRRs和金屬線的LHM合成Smith和Shelby等人根據(jù)負介電常數(shù)和負磁導率獲得的方法將Rods近距離放在SRRs附近,經(jīng)過周期排列構(gòu)成復合材料。在此復合材料中,由于外部電場和磁場在金屬結(jié)構(gòu)上的感應電流同時起作用,使得介電常數(shù)和磁導率表示式都體現(xiàn)出Drude模型的形式。經(jīng)過計算、仿真和實驗驗證,使Rods和SRRs復合材料介電常數(shù)和磁導率分別為負的頻率范圍有重合(圖7為Smith實驗樣本的基本構(gòu)成)。頻率在10.2~10.8GHz范圍內(nèi)材料的ε、μ都出現(xiàn)負值,在諧振頻率范圍內(nèi)折射系數(shù)表現(xiàn)為負值,出現(xiàn)負折射現(xiàn)象。圖7(a)為一個單元開環(huán)諧振器(SRR),形狀是正方形,c=0.25mm,d=0.30mm,g=0.46mm,w=2.62mm,銅厚度為0.03mm;圖7(b)為在玻璃纖維母板兩側(cè)植入銅質(zhì)開環(huán)諧振子和細銅線,每個結(jié)構(gòu)單元由6個諧振子和兩根細銅線組成,兩塊母板夾角為90°;圖7(c)為A實驗材料樣品,B負折射的試驗結(jié)果。圖(7)Smith實驗樣本的基本構(gòu)成需要指出的是,構(gòu)成LHM的細線和開環(huán)諧振器在空間一般按各向異性分布,因此由圖7(c)表述的結(jié)構(gòu)具有各向異性的性質(zhì)。在諧振頻率范圍內(nèi),只有當完全極化的電磁波沿x或y軸入射時μ和ε是負值,左手特性才會出現(xiàn)。當前研究的左手材料是由開環(huán)諧振器和金屬細線兩種結(jié)構(gòu)周期排列組成,在制作和使用上都有一定的難度,且呈現(xiàn)左手材料性質(zhì)的頻段較窄,應用受到限制。

2)基于其它結(jié)構(gòu)單元的左手材料

左手材料的實現(xiàn)要求介電常數(shù)和磁導率同時小于零,即系統(tǒng)中必須存在兩個獨立的諧振(電諧振和磁諧振),且諧振的頻段要有重疊部分,實現(xiàn)起來比較困難。因此在現(xiàn)有左手材料設(shè)計理念的基礎(chǔ)上衍生出許多其它形狀的左手材料,如L.Ran等設(shè)計的Ω結(jié)構(gòu)左手材料(圖8a)充分利用了單元中兩金屬結(jié)構(gòu)之間的耦合效應,一定程度地實現(xiàn)了開口諧振環(huán)與金屬線的”集成”。她們還應用熱壓工藝將處于不同層的Ω環(huán)狀左手材料固化成體狀復合材料,從而為實際應用打下了良好的基礎(chǔ)。HChen設(shè)計了由同時具有負介電和負磁導響應的類似S形的共振器組成的弓形左手材料(圖8b);A.N.Lagarkov設(shè)計了螺旋環(huán)左手材料(圖8c)。應用傳輸線也可實現(xiàn)左手材料。傳輸線是由周期性排列的電子元器件組成,包括串聯(lián)的電感和并聯(lián)的電容,電磁波在其中傳播的色散關(guān)系與正折射材料相同。但當電感和電容的位置發(fā)生互換時,即電感并聯(lián)、電容串聯(lián),電磁波在其中傳播的色散關(guān)系與負折射材料類似。Grbic等采用由電容C和電感L等電子元器件組合實現(xiàn)了傳輸線平板左手材料(圖8d),觀察到負折射及平板聚焦特性,其成像的分辨率達到了0.36λ,突破了衍射極限成像。另外,Pendry在末理論上提出了采用手性媒質(zhì)與諧振的電偶極子系統(tǒng)組合成諧振的手性系統(tǒng)來實現(xiàn)負折射.按此種方法制備左手材料,其結(jié)構(gòu)單元與諧振波長之比可達1∶100,這將有助于實現(xiàn)以小的器件體積作用較大波長的電磁波并有利于器件單元的集成。

圖(8)基于其它結(jié)構(gòu)單元的左手材料

3)負折射率的試驗驗證年4月UCSD發(fā)表于《science》上的《負折射率的試驗驗證》一文對左手介質(zhì)的發(fā)展起到了很大的推動作用。圖9(a)為其用于試驗的用銅線和裂縫環(huán)狀諧振器(splitringresonator,SRR)組成的周期陣列。(a)(b)圖(9)用于負折射率試驗驗證的人工介質(zhì)和試驗裝置圖9(b)為在微波波段進行試驗的測量裝置。圖10(a)為f=10.5GHz時進行的折射角的測量結(jié)果,其中實線與虛線分別為試驗材料與普通材料(聚四氟乙烯)的測試曲線。從測試結(jié)果看,兩者折射角相差約90°。圖10(b)為試驗材料在f=8~12GHz時折射率測量結(jié)果,其中10.2～10.8GHz為負值。圖(10)負折射率的試驗結(jié)果在該論文中,對折射率的正負取值提出了看法,其依據(jù)來源于折射率數(shù)學平方根的取舍:因此,

在以往的關(guān)于折射率的描述,上式只取+號,-號被視為無意義.論文認為:在當ε>0,μ>0時,式取+號;而當ε<0,μ<0時,取-號,即負折射率.

4)微波頻段LHM的應用自年UCSD發(fā)表了在微波頻段完成了LHM材料的人工制作之后,在微波頻段制作”人工材料”(metamaterials)得到很大發(fā)展,并在微波部件和天線設(shè)計中得到廣泛應用。年《IEEE天線與傳播匯刊》專門出版了關(guān)于”人工材料”的專輯,包含LHM和EGB兩類材料。從微波電路設(shè)計看,LHM和EGB制作幾乎就是同一種模式;相對于演繹與光子帶隙結(jié)構(gòu)的EGB來說,LHM的物理意義更加明確。微波頻段的人工材料大部分都具有顯著的”色散”特性,其負介電常數(shù)和磁導率都出現(xiàn)的較窄的頻段內(nèi),在一定的工作帶寬內(nèi)人工材料會同時具有右手、左手特征,此材料也稱為”左右手混合材料”(CRLH)。下面給出的兩個例子就是CRLH的實際應用。①雙波段分支線耦合器用普通微帶線制作的分支耦合器,一般相應于其基平頻(f1)和其奇數(shù)倍(3f1)的頻率。利用CRLH傳輸線的非線性相位響應特性,能夠?qū)崿F(xiàn)所需雙頻(f1,f2)的設(shè)計。圖11(a)為采用CRLH設(shè)計的雙波段分支線耦合器的實物圖,圖11(b)為其S參數(shù)測試圖。圖(11)CRLH雙波段分支線耦合器(2)小型化微帶天線利用CRLH特性能夠大大縮小微帶天線的尺寸。如圖12所示圖(12)CRLH微帶天線

(2)紅外及可見光波段的LHM光頻段負介電常數(shù)和負磁導率的實現(xiàn)是光頻段LHMs實現(xiàn)的前提。其中,負介電常數(shù)的實現(xiàn)相對比較容易,因任何一種金屬當電磁波的頻率低于其等離子體諧振頻率時,介電常數(shù)均為負。而光頻段負磁導率的獲得就很困難。自然界中大多數(shù)磁性物質(zhì)的磁導率均大于零,且磁響應具有高頻截止特性,如鐵磁物質(zhì)在可見光和紅外頻段將失去磁性,因此獲得THz或更高頻段的磁響應無論對THz光學還是應用都有非常重大的意義。

1)紅外及可見光波段負介電常數(shù)的實現(xiàn)一般金屬的等離子頻率在可見光到紫外光波段,而周期性排列的金屬線陣列能夠調(diào)整材料的電子密度,降低其等離子體頻率ωp,其有效等離子體頻率可由公式ω2p=2πc20/[a2ln(a/r)]表示,其中r為金屬線半徑,a為晶格常數(shù),c0為真空中光速。因此調(diào)整陣列的晶格常數(shù)和金屬桿半徑可實現(xiàn)紅外、THz波段的負介電響應。Zhang等采用μSL系統(tǒng)(圖13)合成了大長徑比的金屬線陣列,使等離子頻率出現(xiàn)在0.7THz。其制備工藝為:首先攜帶桿陣列圖案信息的紫外光束被凸透鏡聚焦在液體樹脂表面,該液體樹脂包含有單體和光引發(fā)劑,被紫外光照射后可光交聯(lián)。在紫外光照射下,液體樹脂中形成了桿陣列的固體聚合物薄層。在降低升降機的過程中,薄層逐漸堆砌起來形成三維的固體聚合物。隨后把聚合結(jié)構(gòu)浸入到丙酮中以移去未交聯(lián)的樹脂,再放入紫外爐中固化增強桿的機械強度,固化后的陣列結(jié)構(gòu)從丙酮中顯現(xiàn)出來。最后向聚合結(jié)構(gòu)噴射一層金的薄膜以確保適當?shù)膫鲗浴＝饘倬€陣列的晶格常數(shù)為120μm,直徑為30μm,金屬線長1mm,且金的厚度為0.3μm,遠大于金在1THz時的趨膚深度(80nm)。因此在此頻段內(nèi)視陣列為金屬線而不考慮里面的聚合物。該實驗采用化學生長的方法制備金屬線陣列,成本低且容易實現(xiàn),為紅外、可見光波段左手材料的實用打下了基礎(chǔ)。圖(13)μSL系統(tǒng)和金屬線陣列

2)紅外及可見光波段負磁導率的實現(xiàn)采用微結(jié)構(gòu)單元替代磁性材料中的原子和分子可實現(xiàn)高頻磁響應。Pendry理論研究表明當單元尺寸SRRs按比例縮小時,其磁響應可擴展到紅外波段而不能擴展到可見光波段SRRs能夠看作由電感和電容組成LC電路,當SRRs減小到一定尺寸時,其電感L和電容C不再繼續(xù)減小,諧振頻率趨近于某一定值。即采用金屬微結(jié)構(gòu)理論上不能實現(xiàn)可見光波段磁響應。另外,損耗也是限制可見光波段磁響應的原因。當結(jié)構(gòu)單元尺寸與趨膚深度可比較時,其電阻損耗和趨膚深度問題變得更為突出。T.J.Yen等采用光刻蝕技術(shù)加工制備了結(jié)構(gòu)單元為30μm左右的銅SRRs陣列(圖14a),使負磁導率效應首次達到了紅外波段。制備的不同系列的SRRs樣品的幾何參數(shù)為線寬4μm或6μm,內(nèi)外環(huán)間距2μm或3μm,外環(huán)邊長分別為26μm、32μm和36μm,晶格常數(shù)分別為36μm、44μm和50μmSRRs的材質(zhì)為銅,厚度為3μm,其基板為400μm厚的石英。實驗中采用橢偏測量儀,利用橢圓偏光法測量經(jīng)樣品表面反射光的S偏振分量和P偏振分量的復反射系數(shù)。樣品在入射光的激勵下產(chǎn)生了1THz磁響應,且磁響應強度比自然磁性材料大1個數(shù)量級。經(jīng)過將SRRs與由電感和電容組成的LC諧振電路(ωLC=(LC)-1/2)相類比。入射電磁波滿足以下兩個條件之一時即可與LC諧振電路一樣發(fā)生諧振:①電磁波的E分量有垂直于電容器平板的分量;②電磁波的H分量有一個垂直于電感線圈所在平面的分量。如果條件②滿足,則線圈中的誘導電流能夠比作原子中的環(huán)形電流,從而激發(fā)1個磁場,該誘導磁場反作用于外加磁場,可產(chǎn)生負的磁導率。據(jù)此Linden等利用電子束刻蝕技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)單元尺寸為300nm左右的單個金SRRs(圖14b),并在實驗中測量了這種樣品的電磁波透射和反射行為。實驗發(fā)現(xiàn),其磁響應頻率提高到了令人興奮的100THz,該工作為光波段負折射的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。一般認為,比當前實現(xiàn)的微波段左手材料的頻率高4個數(shù)量級的光波段(數(shù)百太赫茲)左手材料由于其歐姆損耗是無法實現(xiàn)的。但本實驗中材料的紅外透射測試表明,其透射率高達90%。Linden等認為這是材料由極薄金屬制備的微結(jié)構(gòu)組成,從而損耗相對較小。圖(14)負磁導材料的微結(jié)構(gòu)單元ShuangZhang等采用金屬介電多層蒸發(fā)沉積以及光刻蝕技術(shù)制備周期性排列的金U形環(huán)陣列(圖14c),其周期為600nm,U形環(huán)的面積和其兩個腳的尺寸分別確定了環(huán)的等效電感和電容。樣品尺寸變化引起電容和電感的變化進而使諧振頻率發(fā)生變化。當入射波為橫電磁波(TM波),即入射波的磁場垂直于U形環(huán)時,就會產(chǎn)生磁諧振。該工作實現(xiàn)了材料在中紅外60THz波段的磁響應,并理論提出了經(jīng)過減小電容和電感、優(yōu)化現(xiàn)有樣品結(jié)構(gòu)和尺寸以獲得近紅外230THz磁響應實現(xiàn)的可能性。雖然微電子刻蝕技術(shù)已相當發(fā)達,但由于理論和實驗條件的限制,可見光及紅外波段LHMs的實現(xiàn)還具有很大的挑戰(zhàn)性。研究者們也提出了新的方法來實現(xiàn)可見光及紅外波段LHMs。如普渡(Purdue)大學的Shalaev理論證明金屬/電介質(zhì)復合材料可用于制備可見和紅外波段LHMs。另外一個別出心裁的方法就是利用單軸或雙軸晶體中非常光的異常折射來實現(xiàn)光頻負折射效應。五LHM的應用制造前景

隨著對左手材料的制備和物理特性等研究的深入,人們也開始嘗試研究開發(fā)左手材料的應用。微波段左手材料可廣泛應用于微波器件,如微波平板聚焦透鏡、帶通濾波器、耦合器、寬帶