第17讲_超材料

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1、2014/3/24研究生课程纳米光学(Nano-Optics)第17讲:超材料董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院课前思考:•是否有负折射率材料？•如果有，会发生什么？•请回顾第2讲212014/3/24本讲内容1.简介2.负折射率超材料的性质(NIMs)−复习ε,μ,n−ε和μ同时为负的结果3.NIM的实现−设计ε−设计μ−NIM的实现−光学SNGs和DNGs−电磁超材料的进展4.Metamaterials的应用−完美透镜(超透镜)−Superlensvs.Hyperlens−隐身5.超材料的挑战

2、与展望31.介绍什么是“超材料”（metamaterial）?•meta:源自希腊单词μετα,意思是“beyond/after”•metamaterial:具有自然界中不存在性质的人造材料−人造结构或媒质负折射−有自然界找不到的不寻常性质−反常性质是由结构而不是材料成分引起的−d<<λ可以被看做有效（均匀）媒质重要!NaturalmaterialMetamaterialn>0n<04metamaterial:超颖材料，artificial:人造的，effective:等效的，homogeneous:均匀

3、的22014/3/24人造光学周期结构5为什么一定要d<<λ?自然晶体:•晶格常数d<<λ•均匀媒质通过宏观参数ε,μ,n描述光子晶体:•晶格常数d~λ•非均匀媒质,不能用有效参数ε,μ,n描述•有时表现出异常效应，例如负折射(但非负折射率！)超材料:•模拟自然晶体•必须d<<λ这样其性质才能用有效ε,μ,n表示6negativerefraction:负折射32014/3/24自然材料:性质源自组成原子超材料:性质源自他们的结构单元.这些单元是通过人工设计得到的。7研究情况以―metamaterial‖为

4、标题的SCI索引发表情况Science,Nature,NatureMaterials,NanoLett.,ACSNano,和Phys.Rev.Lett.发表数量942014/3/24产业及市场前景•2007:$164.2million•2008:$190.7million•2013:$617.6million•2018:$1.7billion•电磁超材料占有最大市场份额，2018年将达到$11亿“商业超材料市场目前主要集中在制造业和采矿业，混凝土搅拌，海洋和发电的应用。2018年底，超材料的使用范围更加多

5、样化。除了制造业和其他未分类的最终用途，保健/IT，通讯，能源和运输有望获取重要的市场份额。”–Source:TechnicalmarketresearchreportbyElectronics.caPublications,―Metamaterials:TechnologiesandGlobalMarkets‖,2008102.负折射率超材料(NIM)的性质回顾ε,μ,n(看第2讲)介电常数ε:一个描述电磁场中材料电极化强度的宏观参数相对介电常数Dε0EPε0εE真空中的极化率介电常数•ε'>0:

6、普通透明电介质•ε'<0:光频金属'i''•ε''>0:具有吸收损耗介质•ε''<0:增益介质11gain:增益52014/3/24磁导率μ:描述电磁场中材料磁化强度的宏观参数相对磁导率B=μ0H+μ0M=μ0μH真空磁导率磁化率μ'在大多数自然材料中为正:•μ'=1:非磁性材料(例如普通金属和电介质)'i''•μ'>1:顺磁体&铁磁体(μ"描述B相对H的相位延迟)•μ'<1:抗磁体•μ'<0:一些在微波频率的铁酸盐复合材料[seeXuetal.,J.Phys.D42,025403(2

7、009)],光频这种自然材料不存在•μ"总是≥0,描述磁化损耗12paramagnet:顺磁体，ferromagnet:铁磁体，diamagnet:抗磁体，ferrite:铁酸盐折射率n:描述电磁波传输性质的宏观参数•根据波动方程:22212EnEc,nE00222tct00c•折射率n与相速有关vpn•电磁波的传输方向通过波矢k描述，其大小为:knk0nc•吸收媒质的复折射率:nn'in''E(z)E0exp(ikz)•n':决定相速E0

8、exp(in'k0z)exp(n''k0z)•n''>0:电磁波衰减13attenuation:衰减62014/3/24ε-μ材料分类图普通非磁性材料会发生什么，如果?nε<0且μ<0?kn(自然界中不存在该材料)cE(r)E0exp(ikr)14“双负”的结果Veselago的想法1964:有没有什么天然材料和同时为负?没有!但如果有，结果将是什么？Veselago,Sov.Phys.10,509(196