左手材料负折射率材料.ppt

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1、左手材料(Left-HandedMetamaterials)及负折射率的研究进展左手材料（LHM）与负折射率在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波动方程（Helmholtz方程）为：（1）其中自然界中物质的μ和ε一般都与电磁波频率有关，并且在大多数情况下都为正数，此时方程(1)有波动解，电磁波能在其中传播。对于无损耗、各向同性、空间均匀的介质，由Maxwell方程组能推出可见，、、之间满足右手螺旋关系。如果介质的μ和ε都小于零，方程(1)有波动解，电磁波能在其

2、中传播。但是、、之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系。这种介质就被称为“左手材料”（Left-HandedMetamaterials)通常的介质就被称为“右手材料”(Right-HandedMaterials)如果介质的μ和ε两者之间一个为正数而另一个为负数，则k2<0，k无实数解；即方程(1)无波动解，电磁波不能在其中传播。SSEHkSkkEHkSkk右手材料(e>0,m>0)左手材料(e<0,m<0)(a)(b)EHSEHSEHEH右手材料(e>0,m>0)左手材料(e<0,m<0)(a)(b)Fig1.

3、电磁波在(a)一般材料与(b)左手材料中之电场、磁场、波向量与能量流密度方向之间的向量关系。由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的方向，而，即、、始终构成右手螺旋关系。因此在左手材料中，（它的方向代表电磁波相速的方向）和的方向相反。为负数，介质的折射率也为负数，所以这种介质也被称为“负折射率物质”（NegetiveIndexofRefractionMaterial)在左手材料中，电磁波的相速度和群速度方向相反，从而呈现出许多新颖的光学特性。折射光仍然满足Snell定律(c)左手材料(c)左手材料(c)左手材料(b)

4、左手材料左手材料(b)左手材料左手材料(b)左手材料左手材料2Ev·Svkv(e1>0,m1>0)(e2<0,m2<0)·(a)左手材料·(e1>0,m1>0)(e2<0,m2<0)·(a)左手材料Fig2.(a)入射光在经过一般介质与左手材料接口时，折射光偏折方向会与入射光在法线的同一边。(b)以左手材料为材质制作的凸透镜或凹透镜，分别会表现出散光或聚光的效果。(c)平板状的左手材料，会有类似一般凸透镜的聚光效果。12(2>0,2>0)右手材料反常的Doppler效应若光源发出频率w0的光，而侦测器以速度v

5、接近光源时，在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比w0高，而在左手材料中，则会收到比w0低的频率。SkkkSSkvSv光源光源vv侦测器光源光源侦测器左手材料中Fig3.一般介质与左手材料中Doppler效应的比较。反常的Cerenkov效应和光压在Cerenkov辐射效应中，当一个粒子在介质中以速度v沿一直线运动，其辐射出的场会遵循的形式，波向量k(k=kz/cosq)的方向会主要顺着v的方向，但kr方向分量则在一般介质与左手材料中恰好会完全相反。电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料的环境之中形成对反射体的

6、拉曳力，而不是如在一般介质中的压力。vkzSkkrqqkSvkzSkkrkrqqkSvkzkqqkvqq左手材料中krSk2k反射體光源k2k反射体光源左手介質中Sk2k光源2k光源左手材料中S反射体(b)(a)Fig4.一般介质与左手材料中的比较：(a)Cerenkov效应；(b)光压左手材料的研究与进展VeselagoV.G.,Sov.Phys.Usp.,1968,10,5091968年Veselago对电磁波在介电常数和磁导率同时为负数的介质中的传播特点作过纯理论的研究。但自然界中没有发现和同时为负数的

7、介质存在，所以他的研究结果在20世纪一直没有得到实验验证，人们对左手材料的兴趣也基本消失了。1996-1999年，Pendry等人相继提出了用周期性排列的金属条和开口金属谐振环(Split-RingResonator)可以在微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。PendryJ.B.,etal.,Phys.Rev.Lett.,1996,76,4773PendryJ.B.,etal.,IEEETrans.MicrowaveTheo.andTech.,1999,47,20752000年，Smith等人将金属丝板和SRR

8、板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质。SmithD.R.,WillieJ.,etal.,Phys.Rev.Lett.,2000,84,4184左手材料的研究与进展2003年，Parazzoli等人在实验和数值模拟上进一步验证了NIM中的Snell定律，为左手物质是否真实存在的争论暂时划下了一个句点。P