1、左手材料左手材料 (Left-Handed Metamaterials)及负折射率的研究进展及负折射率的研究进展Seminar I主要内容 什么是左手材料 （ Left-Handed Metama-terials)与负折射率 左手材料的研究与进展 负折射率的应用前景左手材料 （ 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 和磁导率 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v自然界中物质的 和 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
2、的介质，由Maxwell方程组能推出可见， 、 、 之间满足右手螺旋关系。v如果介质的 和 都小于零，方程 (1)有波动解，电磁波能在其中传播。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-Handed Metamaterials)通常的介质就被称为 “ 右手材料 ” (Right-Handed Materials)v如果介质的 和 两者之间一个为正数而另一个为负数， 则 k2 0, 0) 左手材料 ( 0, 10 )( 20, 20)右手材料反常的 Doppler效应若光源发出频率 0 的光，而侦测器以速度 v接近光源时，在一般
3、介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比 0高，而在左手材料中，则会收到比 0低的频率。SkkSvv光源光源侦测器光源光源侦测器左手材料中Fig 3. 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v 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/cos) 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。 v 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拉曳力，而不是如在一般介质中的压力。vkzSkkrkSvkzSkkr
4、krkS 左手材料中krSk2k反射體光源k2k反射体光源左手介質中光源光源左手材料中S反射体(b)(a)Fig 4. 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Veselago V.G. , Sov. Phys. Usp. ,1968,10,509&1968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
5、列的 金属条和开口金属谐振环 (Split-Ring Resonator)可以在微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。Pendry J.B. ,et al. , Phys. Rev. Lett. ,1996,76,4773Pendry J.B. ,et al. , IEEE Trans. Microwave Theo. and Tech. ,1999,47,2075&2000年， Smith等人将金属丝板和 SRR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。Smith D.R. ,Willie J. ,et al. , 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 。Parazzoli C. G. ,Greegor R. B. ,et al , Phys. Rev. Lett. ,2003,90,107401&2001年， Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77
