微波材料科学前沿课题－－－左右介质的研究进展

最近两年来，一种称为“左手介质（left-handed media或metamaterials）”的人 B*Om\I  
工复合超材料在固体物理、材料科学、光学、应用电磁学和天线领域得到愈来愈广 x2r.4  
泛的青睐。这种材料具有许多奇特性质，比如它的折射系数是负数，电磁波在其中 YK$[)x\S  
的能量传播方向与它的波矢（相位传播方向）相反。这种材料具有负的折射系数的 HvKdV`bz  
原因在于它的介电常数和磁导率都是负数。在我们过去所熟悉的通常介质（它的介 aSxDfYN=R  
电常数和磁导率都是正数，折射率也是正数，我们称它为“右手材料”）中，由电 w:iMrQeJg  
磁场的麦克斯韦方程知道，入射电磁波的电场、磁场和波矢(相位传播方向)三者构 PlK3;  
成右手正交系。但是在这种负折射系数“左手材料”中，电磁波的电场、磁场和波 h|`R[  
矢却构成左手系，这就是这种材料被命名为“左手材料”的原因。　　由于介电常 B9KBq$e  
数和磁导率都是负数，左手介质又称为“双负介质（材料）”、“负折射系数材料 'jO8C2Th%  
”。 吴群教授率领的课题组在开展基于传输线理论描述左手介质材料构成原理方面 j8PeO&n>  
取得了新的进展，在国内处于领先地位。关于左手介质材料的近期研究论文论坛可 G
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见http://microwave.hit.edu.cn。 +{m+aHk  
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2001年，美国加州大学的谢尔拜、史密斯等人工制成该材料并观察到了其中的反常 u2`j\ Vu  
折射定律：当光线从普通材料斜入射到负折射系数材料上时，折射光线并不向法线 _5(1T%K)  
另一边偏折，而是向着与入射光线同一边的方向偏折，也就是说出现了负的折射角 k'PvQl"I  
。显然传统的“平行光线射向平板玻璃，会平行出射”这一常识性现象不再成立。 F7nwVDc*  
用了几个世纪的传统光学透镜的成像原理基于经典的几何光学：透镜的弯曲表面将 UIg?3J}R  
来自物源的光线聚焦起来成为像点。但是用负折射系数左手材料做透镜，在今天我 oOAkwc%)b  
们不再需要将它制成曲面的形状，用一块平板（负材料）就能构成一块透镜。 kzNRRs\e  
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2003年，美国麻省理工学院的豪瞿教授与美国东北大学的帕里米教授制备成功了折 Z#(Y%6[u  
射率为负数的左手征材料的样品——一种锲形的三棱镜，当微波从一种介质进入这 11Qi _T\  
个三棱镜时，按照经典的折射定律可确定波的折射率的确为负数。还证明了从点光 ) j&khHD  
源发出的波可以在一个矩形的左手材料平板中发生聚焦（因为来自点光源的光线在 :F#^Q%-IS  
普通的平板玻璃中却是发散的）。应用负折射系数左手材料就可以制作出“完善透 ?9!9lSH6%  
镜”（又称“超级棱镜”）。 J4U_utp  
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目前，可采用开口的环型谐振器与细长金属导线阵列结合通过人工合成得到这种人 >j$a
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工超材料。开口环型谐振器形状像字母C，毫米尺度量级，印刷电路板材料获得。谐 8bs'Ek{'o  
振器在微波磁场作用下感应出环电流，相当于一个磁矩，加强或抵抗原磁场从而导 5JK'2J&  
致介质具有负的磁导率；细长导线阵列结构提供了具有等离子体型的介电系数，只 Ex|Z@~T12  
要电磁波频率低于共振频率，就会出现负的介电系数。这两种构造都促成了磁和电 -1NR]#P'  
的反屏蔽效应。 BafNFPc  
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纵观历史上任何一种新型材料的出现，都带来应用技术上的革命，如现在光子晶体 6A|XB3  
（PBG）可能取代传统的电子型晶体引起光电子学的革命，使得人类从20世纪的电子 .J&89I]U  
时代（半导体时代）跨入21世纪的光子时代。左手材料的应用将在微波材料领域产 *A8Et5HAv  
生新的革命，如左手征材料微波元件可以方便地对微波进行滤波、调控与聚焦；在 \/gf_R_GN  
新型波导和光纤中应用获得新的电波传播特性；制作成高性能的耦合器、开关和天 U>bIQk"4  
线等。如果使产生负折射系数的光波频段扩展到可见光领域（频段提高5个数量级） .a(G=fk  
，则必然会出现更多新的光学效应。 84reyA  
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科学家发现“左手”物质(Left-handed Metamaterials)被2003年12月19日出版的美 >9i>A:  
国《科学》杂志评出 2003年十大科学突破之一。这一评选素有“科学奥斯卡”之称 t%5bDdo  
，倍受科学界关注。其原文提到：‘多个研究小组证实，特定介质能使光和其他电 /0Qo(  
磁波以负折射率偏转。这种所谓“左手”性物质有可能用于制造性能更好的透镜。 4K dYiuz0`  
几组物理学家在2003年3月举行的美国物理学会年会上所发表的室验结果，为左手物 A{k1MA<F6  
质的存在提供了有力的证据。科学家找到负折射率的“左手”物质确实能够聚光的 vWrTB   
证据。’ ,Shzew+  
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我校吴群教授自2002年起与韩国光云大学合作，开展光子晶体带隙MEMS毫米波滤波 %zRuIDmv  
器的研究。2003年，新加坡国立大学 .. ^,vFxN--q  
5L~lF8  

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左手媒质,确实很热. ! 9*l!(  
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现在在光纤里传播微波似乎也很热门.呵呵.