左手材料 双负材料 科普知识 课件.ppt

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1、双负材料2013.10定义发展历史性质制备与实现用电磁感应定律推导负磁导率应用前景双负材料：介电常数ε和磁导率µ同时为负值的材料称为双负材料。通常的材料，其中的电场、磁场和电磁波传播常数三者之间呈右手螺旋关系。而在双负材料介质中，三者之间构成左手螺旋关系，故又称为左手材料。大约在40年前，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（VictorVeselago）设想了一种能够颠覆光学世界的物质：它能使光波看起来如同倒流一样；而且在许多方面表现得有违常理，具有不可思议的特性。问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射率。到当时为止所有已知的物质都拥有正折射率。那么是否有负折射率的材料呢？多年苦寻，没能找到满足的

2、材料，其猜想也被淡忘。双负材料的实现关键是介电常数和磁导率同时小于零，即系统中必须存在两个独立的谐振(电谐振和磁谐振)，且谐振的频段要有重叠部分，实现起来比较困难。1996年Pendry从理论上研究了金属线(wires)阵列的电磁性质，发现周期性排列的金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为相似，可实现负ε；ε（ω）=1-ω2p/ω2其中，ωp是等离子震荡的本征频率，当ωp>ω时，可以使介电常数为负值。当ω0<ω<ωb时，µ<0。1996年，Pendry在理论上用金属线周期结构实现了介电常数的负值。1999年，Pendry又用开口谐振环实现了磁导率的负值。介电常数和磁导率实现了分离的

3、负数。介电常数和磁导率同时为负的可能性？这也揭开了双负材料的序幕。2001年，加州大学SanDiego分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材料的存在。Smith等采用电路板刻蚀技术在GIO纤维玻璃板正反面制作了铜SRRs和铜线，并周期性排列成结构，首次获得微波段左手材料。他们还设计了劈尖状左手材料样品，并测量了其微波折射行为。实验结果显示，常规材料的峰值发生在27。而左手材料的峰值发生在大约-61。这样首次在实验中观察到了负折射现象。2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriade

4、s教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。2003年美国ParazzoliCG等人及Houcl等人同时分别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据和模拟计算非常吻合，都晰而显着地展示出负折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的存在。双负材料的性质？电磁性质：左手材料是一种相速度和

5、群速度方向相反的物质；同时，左手介质必然是色散介质。对于平面单色波，Maxwell方程可以化成如下简单形式在右手介质（ε>0，μ>0）中，由（1）（2）两式知，E、H、k三者构成右手关系；在左手介质中，因为ε<0，μ<0，E、H、k成左手关系。而（3）式不含ε和μ，因此不论是在左手介质还是在右手介质中，E、H、S三者都是右手关系。在右手介质中，S方向和K方向相同，而在左手介质中两者相反。K代表位相传播方向，S代表能流传播方向即群速度方向。负折射现象当波通过两介质之间的界面时,如图所示。一边的磁导率μ1和电导率ε1均大于0,另一边的磁导率μ2和电导率ε2均小于0。设对2种媒介使用Maxwell

6、方程都将被满足,则有边界条件:可见,E和H沿法线分量En2和Hn2的正负号,在ε2/ε1<0，μ2/μ1<0时将和ε2/ε1>0，μ2/μ1>0时符号的相对,那么,和ε2/ε1>0，μ2/μ1>0的情况相对，在左手材料中折射光线将关于z轴对称传播。逆多普勒效应在右手材料中，当波源和观察者之间的距离增加时，比如反射面相对于波源后退时，观察到的反射波的频率会减小，这就是多普勒效应。但在左手材料内，电磁波的相速度和群速度方向相反，即能量的传播方向和相位传播方向相反，所以在左手材料中的频移情况正好和右手材料相反，观察者接受到的反射波的频率会增加，这种现象为逆多普勒效应。完美成像根据瑞利准则，一种频率

7、的电磁波通常只能用来分辩尺寸不小于大约其半个波长的物体，电磁波的波长决定成像的质量和清晰程度，所以波长越短，电磁波能分辩的物体尺寸就越小，清晰度就越高。传统透镜无法达到更好的分辩率，是因为电磁波同时具有凋落波和传播波分量，而凋落波在达到像点前大部分已经衰落。如果能够使凋落波分量在达到像点前放大，就可以恢复出凋落波对成像的贡献，而左手材料就可以做的这一点，近场可以在左手材料的表面激励起高频谐振，使己经衰落的凋落