左手材料研究進(jìn)展及應(yīng)用模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。左手材料研究進(jìn)展及應(yīng)用

左手材料,指的是介電常數(shù)(ε)和磁導(dǎo)率(μ)都是負(fù)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(dǎo)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(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率使得主導(dǎo)普通材料行為的許多物理特性產(chǎn)生逆變.左手材料有時(shí)也被稱作”異向介質(zhì)”,”負(fù)折射系數(shù)材料”.迄今為止,我們?cè)谧匀唤缰幸?jiàn)到的都是右手材料,右手規(guī)則一直被認(rèn)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(chǎng),磁場(chǎng)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(dǎo)率都是負(fù)數(shù),折射率也是負(fù)的,根據(jù)電磁學(xué)理論,能夠推斷出它有很多奇異的物理特性.由于這個(gè)學(xué)期正在學(xué)習(xí)電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)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(xiàn),不過(guò)很多理論還是不能理解.不過(guò),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(shí)>0的概念,不過(guò),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(xué)家Veselag。在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文,首次報(bào)道了她在理論研究中對(duì)物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn),即:當(dāng)ε和μ都為負(fù)值時(shí),電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(shí)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(fù)折射、負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等等。這篇論文引起了一位英國(guó)人的關(guān)注,1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個(gè)前蘇聯(lián)物理類學(xué)術(shù)刊物上。但幾乎無(wú)人意識(shí)到,材料世界從此翻開(kāi)新的一頁(yè)。

左手材料的研究發(fā)展并不是一帆風(fēng)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(shí)際的左手材料,因此,這一學(xué)術(shù)假設(shè)并沒(méi)有馬上被人接受,而是處于幾乎無(wú)人理睬的境地,直到將近本世紀(jì)時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。英國(guó)科學(xué)家Pendry等人在1998-1999年提出一種巧妙的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率,從此以后,人們開(kāi)始對(duì)這種材料投入了越來(lái)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(guó)加州大學(xué)SanDiego分校的DavidSmith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議,利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)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(fù)角度偏轉(zhuǎn),從而證明了左手材料的存在。7月,瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的左手材料,這將可能對(duì)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(dāng)月的美國(guó)《應(yīng)用物理快報(bào)》上。底,麻省理工學(xué)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(lái)制造高指向性的天線、聚焦微波波束、實(shí)現(xiàn)”完美選鏡”、用于電磁波隱身等等。左手材料的前景開(kāi)始引起學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界特別是軍方的無(wú)限遐想。是左手材料研究獲得多項(xiàng)突破的一年。美國(guó)西稚圖BoeingPhantomWorks的C.Parazzoli與加拿大UniversityofToronto電機(jī)系的G.日eftheriades所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到了負(fù)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(guó)麻省理工學(xué)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(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；诳茖W(xué)家們的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn),左手材料的研制赫然進(jìn)入了美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的全球十大科學(xué)進(jìn)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(duì)于各向同性的LHM,存在本構(gòu)關(guān)系:D=εE

B=μH從波動(dòng)方程:

得到色散關(guān)系:其中為折射率的平方。對(duì)于折射率n,當(dāng)ε和μ同時(shí)>0時(shí),符合色散關(guān)系,波動(dòng)方程有解。若同時(shí)改變介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的符號(hào),使得ε和μ同時(shí)<0,能夠看到她們的乘積數(shù)值相同,波動(dòng)方程同樣會(huì)有解,這并不違反Maxwell定律。但電磁參數(shù)同時(shí)為負(fù)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(gè)旋度方程:

電磁波在無(wú)源媒質(zhì)中傳播時(shí)可得由能夠看出,當(dāng)ε>0、μ>0時(shí),如圖1(a)所示,電場(chǎng)E,磁場(chǎng)H和波矢量k滿足右手螺旋關(guān)系;而當(dāng)ε<0、μ<0時(shí),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(chǎng)E、磁場(chǎng)H滿足右手螺旋關(guān)系。從而能夠得出一個(gè)有意思的結(jié)論,當(dāng)ε>0、μ>0時(shí),能量流動(dòng)方向S和電磁波的傳播方向k是一致的;而當(dāng)ε<0、μ<0時(shí),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(chǎng)、磁場(chǎng)、波向量與能流密度方向之間的向量關(guān)系

同時(shí),LHM必須是色散物質(zhì),這一點(diǎn)能夠由電磁場(chǎng)能量表示式看出

式(1)因?yàn)?如果不存在色散的話,根據(jù)式(1)ε<0,μ<0,總能量將為負(fù)值.

(2)LHM具有負(fù)的折射特性圖2中,如果媒質(zhì)2同時(shí)擁有負(fù)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(gè)負(fù)數(shù)乘積與兩個(gè)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(fù)數(shù):

式(3)當(dāng):Re(ε2r),Re(μ2r)為正時(shí),

0≤θε,μ≤π/2Re(ε2r),Re(μ2r)為負(fù)時(shí),

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(fù)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(fù)折射。折射角的大小仍可由折射定理給出,當(dāng)n2=-｜n2｜時(shí),由折射定理n1sinθ1=n2sinθ2能夠得到一個(gè)負(fù)折射角,此時(shí)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(duì)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(duì)光的折射

(3)LHM負(fù)的Doopler效應(yīng)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(cè)器向光源(頻率為ω0)靠近時(shí),在RHM中探測(cè)到的頻率比ω0高,而在LHM中探測(cè)到的頻率比ω0低。若探測(cè)器離開(kāi)光源時(shí),在RHM中探測(cè)到的頻率比ω0低,而在LHM中探測(cè)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(yīng)描述電磁波功率流動(dòng)的坡印亭矢量表示為S=E×H*,因各個(gè)構(gòu)成量并不依賴構(gòu)成材料電磁參數(shù)符號(hào)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(guò)兩種媒質(zhì)界面時(shí)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(dāng),,從(4)、(5)式可得出En1、Hn1分別與En2、Hn2符號(hào)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(yàn)現(xiàn)象上進(jìn)行了驗(yàn)證,如C.Caloz用軟件對(duì)LHM和RHM交界處進(jìn)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(shí)能量完全匹配,電磁波完全從一種媒質(zhì)進(jìn)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(duì)于垂直入射波()有或者,阻抗值由材料的無(wú)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(dāng)一束光源從真空射入左手介質(zhì)組成的平板時(shí),由于左手介質(zhì)的負(fù)折射率導(dǎo)致折射光線以相對(duì)于表面的負(fù)角度偏折,使得原先從一個(gè)光源發(fā)出的光線重新聚焦于一點(diǎn),如圖6所示。圖(6)完美透鏡示意圖當(dāng)透鏡的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率皆為-1;即εr=-1,μr=-1,此時(shí)透鏡介質(zhì)阻抗與真空相同。此時(shí)透鏡與外部媒質(zhì)的分界面上達(dá)到良好的匹配,其反射系數(shù)為零。Pendry認(rèn)為,在這種情況下,傳播波與消失波對(duì)圖像的分辨率都有貢獻(xiàn)。因此,在重構(gòu)一副圖像時(shí),不受實(shí)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(fù)介電常數(shù)實(shí)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(dòng)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(dāng)工作頻率低于ωp時(shí),將εp(ω)<0,此時(shí)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(shí)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(xì)線(rod)對(duì)電磁波的響應(yīng)與等離子體對(duì)電磁波的響應(yīng)行為相似,其原理是電磁場(chǎng)在金屬細(xì)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流,正負(fù)電荷分別向細(xì)線兩端聚集,從而產(chǎn)生與外來(lái)電場(chǎng)反相的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電磁波電場(chǎng)極化方向與金屬線平行時(shí)起高通濾波作用,在低于電等離子頻率時(shí)材料介電常數(shù)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,且滿足表示式:ωp是電等離子頻率,此時(shí),n為金屬內(nèi)的電荷密度,r為細(xì)線半徑,α是細(xì)線間距。ωe是電諧振頻率,當(dāng)頻率出現(xiàn)在ωe和ωp之間時(shí)εeff出現(xiàn)負(fù)值

(8)負(fù)磁導(dǎo)率實(shí)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(yuǎn)比波長(zhǎng)小的金屬開(kāi)環(huán)諧振器SRRs(splitringresonators)。開(kāi)環(huán)諧振器在受到微波磁場(chǎng)的作用會(huì)感應(yīng)出環(huán)電流,這好比一個(gè)磁矩,加強(qiáng)或者抵抗原磁場(chǎng),在諧振頻率處會(huì)出現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率,且滿足表示式:F為SRRs在一個(gè)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(fù)值。

三左手材料的實(shí)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(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率獲得的方法將Rods近距離放在SRRs附近,經(jīng)過(guò)周期排列構(gòu)成復(fù)合材料。在此復(fù)合材料中,由于外部電場(chǎng)和磁場(chǎng)在金屬結(jié)構(gòu)上的感應(yīng)電流同時(shí)起作用,使得介電常數(shù)和磁導(dǎo)率表示式都體現(xiàn)出Drude模型的形式。經(jīng)過(guò)計(jì)算、仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,使Rods和SRRs復(fù)合材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為負(fù)的頻率范圍有重合(圖7為Smith實(shí)驗(yàn)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(fù)值,在諧振頻率范圍內(nèi)折射系數(shù)表現(xiàn)為負(fù)值,出現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象。圖7(a)為一個(gè)單元開(kāi)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(kāi)環(huán)諧振子和細(xì)銅線,每個(gè)結(jié)構(gòu)單元由6個(gè)諧振子和兩根細(xì)銅線組成,兩塊母板夾角為90°;圖7(c)為A實(shí)驗(yàn)材料樣品,B負(fù)折射的試驗(yàn)結(jié)果。圖(7)Smith實(shí)驗(yàn)樣本的基本構(gòu)成需要指出的是,構(gòu)成LHM的細(xì)線和開(kāi)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(dāng)完全極化的電磁波沿x或y軸入射時(shí)μ和ε是負(fù)值,左手特性才會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)前研究的左手材料是由開(kāi)環(huán)諧振器和金屬細(xì)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(yīng)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(shí)現(xiàn)要求介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)小于零,即系統(tǒng)中必須存在兩個(gè)獨(dú)立的諧振(電諧振和磁諧振),且諧振的頻段要有重疊部分,實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。因此在現(xiàn)有左手材料設(shè)計(jì)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(jì)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(yīng),一定程度地實(shí)現(xiàn)了開(kāi)口諧振環(huán)與金屬線的”集成”。她們還應(yīng)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(fù)合材料,從而為實(shí)際應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。HChen設(shè)計(jì)了由同時(shí)具有負(fù)介電和負(fù)磁導(dǎo)響應(yīng)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(jì)了螺旋環(huán)左手材料(圖8c)。應(yīng)用傳輸線也可實(shí)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(dāng)電感和電容的位置發(fā)生互換時(shí),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(fù)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(shí)現(xiàn)了傳輸線平板左手材料(圖8d),觀察到負(fù)折射及平板聚焦特性,其成像的分辨率達(dá)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(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)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(zhǎng)之比可達(dá)1∶100,這將有助于實(shí)現(xiàn)以小的器件體積作用較大波長(zhǎng)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(fù)折射率的試驗(yàn)驗(yàn)證年4月UCSD發(fā)表于《science》上的《負(fù)折射率的試驗(yàn)驗(yàn)證》一文對(duì)左手介質(zhì)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。圖9(a)為其用于試驗(yàn)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(fù)折射率試驗(yàn)驗(yàn)證的人工介質(zhì)和試驗(yàn)裝置圖9(b)為在微波波段進(jìn)行試驗(yàn)的測(cè)量裝置。圖10(a)為f=10.5GHz時(shí)進(jìn)行的折射角的測(cè)量結(jié)果,其中實(shí)線與虛線分別為試驗(yàn)材料與普通材料(聚四氟乙烯)的測(cè)試曲線。從測(cè)試結(jié)果看,兩者折射角相差約90°。圖10(b)為試驗(yàn)材料在f=8~12GHz時(shí)折射率測(cè)量結(jié)果,其中10.2～10.8GHz為負(fù)值。圖(10)負(fù)折射率的試驗(yàn)結(jié)果在該論文中,對(duì)折射率的正負(fù)取值提出了看法,其依據(jù)來(lái)源于折射率數(shù)學(xué)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(hào),-號(hào)被視為無(wú)意義.論文認(rèn)為:在當(dāng)ε>0,μ>0時(shí),式取+號(hào);而當(dāng)ε<0,μ<0時(shí),取-號(hào),即負(fù)折射率.

4)微波頻段LHM的應(yīng)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(jì)中得到廣泛應(yīng)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(jì)看,LHM和EGB制作幾乎就是同一種模式;相對(duì)于演繹與光子帶隙結(jié)構(gòu)的EGB來(lái)說(shuō),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(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)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(huì)同時(shí)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(gè)例子就是CRLH的實(shí)際應(yīng)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(yīng)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(yīng)特性,能夠?qū)崿F(xiàn)所需雙頻(f1,f2)的設(shè)計(jì)。圖11(a)為采用CRLH設(shè)計(jì)的雙波段分支線耦合器的實(shí)物圖,圖11(b)為其S參數(shù)測(cè)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(jiàn)光波段的LHM光頻段負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)是光頻段LHMs實(shí)現(xiàn)的前提。其中,負(fù)介電常數(shù)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較容易,因任何一種金屬當(dāng)電磁波的頻率低于其等離子體諧振頻率時(shí),介電常數(shù)均為負(fù)。而光頻段負(fù)磁導(dǎo)率的獲得就很困難。自然界中大多數(shù)磁性物質(zhì)的磁導(dǎo)率均大于零,且磁響應(yīng)具有高頻截止特性,如鐵磁物質(zhì)在可見(jiàn)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(yīng)無(wú)論對(duì)THz光學(xué)還是應(yīng)用都有非常重大的意義。

1)紅外及可見(jiàn)光波段負(fù)介電常數(shù)的實(shí)現(xiàn)一般金屬的等離子頻率在可見(jiàn)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(shí)現(xiàn)紅外、THz波段的負(fù)介電響應(yīng)。Zhang等采用μSL系統(tǒng)(圖13)合成了大長(zhǎng)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(shù)脂表面,該液體樹(shù)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(shù)脂中形成了桿陣列的固體聚合物薄層。在降低升降機(jī)的過(guò)程中,薄層逐漸堆砌起來(lái)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(shù)脂,再放入紫外爐中固化增強(qiáng)桿的機(jī)械強(qiáng)度,固化后的陣列結(jié)構(gòu)從丙酮中顯現(xiàn)出來(lái)。最后向聚合結(jié)構(gòu)噴射一層金的薄膜以確保適當(dāng)?shù)膫鲗?dǎo)性。金屬線陣列的晶格常數(shù)為120μm,直徑為30μm,金屬線長(zhǎng)1mm,且金的厚度為0.3μm,遠(yuǎn)大于金在1THz時(shí)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(shí)驗(yàn)采用化學(xué)生長(zhǎng)的方法制備金屬線陣列,成本低且容易實(shí)現(xiàn),為紅外、可見(jiàn)光波段左手材料的實(shí)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(jiàn)光波段負(fù)磁導(dǎo)率的實(shí)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(shí)現(xiàn)高頻磁響應(yīng)。Pendry理論研究表明當(dāng)單元尺寸SRRs按比例縮小時(shí),其磁響應(yīng)可擴(kuò)展到紅外波段而不能擴(kuò)展到可見(jiàn)光波段SRRs能夠看作由電感和電容組成LC電路,當(dāng)SRRs減小到一定尺寸時(shí),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(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光波段磁響應(yīng)。另外,損耗也是限制可見(jiàn)光波段磁響應(yīng)的原因。當(dāng)結(jié)構(gòu)單元尺寸與趨膚深度可比較時(shí),其電阻損耗和趨膚深度問(wèn)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(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)首次達(dá)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中采用橢偏測(cè)量?jī)x,利用橢圓偏光法測(cè)量經(jīng)樣品表面反射光的S偏振分量和P偏振分量的復(fù)反射系數(shù)。樣品在入射光的激勵(lì)下產(chǎn)生了1THz磁響應(yīng),且磁響應(yīng)強(qiáng)度比自然磁性材料大1個(gè)數(shù)量級(jí)。經(jīng)過(guò)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(gè)條件之一時(shí)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(gè)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(dǎo)電流能夠比作原子中的環(huán)形電流,從而激發(fā)1個(gè)磁場(chǎng),該誘導(dǎo)磁場(chǎng)反作用于外加磁場(chǎng),可產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)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(gè)金SRRs(圖14b),并在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了這種樣品的電磁波透射和反射行為。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其磁響應(yīng)頻率提高到了令人興奮的100THz,該工作為光波段負(fù)折射的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。一般認(rèn)為,比當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的微波段左手材料的頻率高4個(gè)數(shù)量級(jí)的光波段(數(shù)百太赫茲)左手材料由于其歐姆損耗是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但本實(shí)驗(yàn)中材料的紅外透射測(cè)試表明,其透射率高達(dá)90%。Linden等認(rèn)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(duì)較小。圖(14)負(fù)磁導(dǎo)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(gè)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(jìn)而使諧振頻率發(fā)生變化。當(dāng)入射波為橫電磁波(TM波),即入射波的磁場(chǎng)垂直于U形環(huán)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生磁諧振。該工作實(shí)現(xiàn)了材料在中紅外60THz波段的磁響應(yīng),并理論提出了經(jīng)過(guò)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(yīng)實(shí)現(xiàn)的可能性。雖然微電子刻蝕技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá),但由于理論和實(shí)驗(yàn)條件的限制,可見(jiàn)光及紅外波段LHMs的實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光及紅外波段LHMs。如普渡(Purdue)大學(xué)的Shalaev理論證明金屬/電介質(zhì)復(fù)合材料可用于制備可見(jiàn)和紅外波段LHMs。另外一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)光頻負(fù)折射效應(yīng)。五LHM的應(yīng)用制造前景

隨著對(duì)左手材料的制備和物理特性等研究的深入,人們也開(kāi)始嘗試研究開(kāi)發(fā)左手材料的應(yīng)用。微波段左手材料可廣泛應(yīng)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