神奇的電磁超材料

大家好，這里是射頻學(xué)堂。今天我們一起來(lái)學(xué)習(xí)一款新的電磁材料——電磁超材料。

超材料的英文名字叫做Metamaterial，詞根 Meta 就是超出，另類(lèi)的意思，和 material 組合起來(lái)就是 超材料了。一般文獻(xiàn)中給出人工電磁材料的定義是“具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料?！彪姶懦牧?，就是具有反常規(guī)材料的特性的人工材料，比如負(fù)的介電常數(shù)，負(fù)磁導(dǎo)率等等，電磁超材料是以人造單元結(jié)構(gòu)以特定方式排列形成的具有特殊電磁特性的人工結(jié)構(gòu)材料。

如下圖所示：

電磁超材料具有自然界中原有材料所不具備的獨(dú)特性質(zhì)，其中出現(xiàn)了許多全新的物理現(xiàn)象。目前關(guān)于電磁超材料的物理特性研究，及其在定向輻射高性能天線(xiàn)、電磁隱身、空間通信、探測(cè)技術(shù)和新型太赫茲波段功能器件等領(lǐng)域的應(yīng)用研究開(kāi)始成為國(guó)際物理學(xué)和電磁學(xué)界的研究熱點(diǎn)。

超材料的發(fā)展

電磁超材料最早可以追溯到1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Victor G. Veselago在理論上提出磁導(dǎo)率和介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)的媒質(zhì)存在，即為左手材料，這一發(fā)現(xiàn)被人們認(rèn)為是電磁超材料的原型。

由于缺乏實(shí)驗(yàn)，此理論猜想一直沒(méi)被關(guān)注，直到1996年和1999年J. Pendry等人先后提出實(shí)現(xiàn)左右材料的兩個(gè)關(guān)鍵要素：用細(xì)金屬線(xiàn)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)為負(fù)，用開(kāi)口諧振環(huán)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率。

在2000年，美國(guó)的Rodger Walser教授在美國(guó)物理學(xué)會(huì)春季年會(huì)上提出“metamaterial”概念，而“meta”在拉丁語(yǔ)中代表“超越”含義，所以被翻譯為超材料，這就是電磁超材料名稱(chēng)的由來(lái)。隨后2001年，美國(guó)D. R. Smith教授根據(jù)Pendry提出的理論模型在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了左手材料存在的論文，通過(guò)棱鏡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種人工材料具有負(fù)折射率特性。

2002年底，麻省理工學(xué)院的孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，并稱(chēng)之為“導(dǎo)向介質(zhì)”，他預(yù)言了這種人工材料在高指向性的天線(xiàn)、聚焦微波波束、“完美透鏡”、電磁波隱身等方面的應(yīng)用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大學(xué)的科研小組設(shè)計(jì)、制造了著名的“隱身大衣”，并成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證明。2009年又出現(xiàn)了寬頻帶的隱身衣。2010年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電磁黑洞。

超材料的分類(lèi)

超材料是一種人工復(fù)合材料，也就是這種材料史人造的，自然界中不存在的一種材料，超材料具備這三個(gè)特征：具有特殊人工結(jié)構(gòu)，具有特有的物理特性，并且這種物理特性不取決于材料的本質(zhì)特性而取決于所組成的人工結(jié)構(gòu)。

電磁超材料最初的定義是具有負(fù)折射率的材料，也叫做左手材料，即電磁波在左手材料中傳播時(shí)，電場(chǎng)，磁場(chǎng)和坡印廷矢量呈左手關(guān)系，而不是普通介質(zhì)中的右手關(guān)系。最初由Victor G. Veselago 教授提出，并預(yù)言了這種材料的特殊電磁特性，如負(fù)折射特性，逆Cherenkov特性，逆多普勒特性等，這些特性在后面的實(shí)驗(yàn)中一一得到驗(yàn)證。

從俠義上來(lái)說(shuō)，根據(jù)超材料的等效媒質(zhì)特性的不同，可以將分為以下幾類(lèi)：① 具有負(fù)介電常數(shù)或者負(fù)磁導(dǎo)率，從而具有負(fù)的折射率，也就是左手材料；②具有零介電常數(shù)或者零磁導(dǎo)率，也就是零折射率材料；③，具有很大的介電常數(shù)或者很大的磁導(dǎo)率等等。

按照超材料的構(gòu)成結(jié)構(gòu)不同可以分為：傳輸線(xiàn)型超材料，波導(dǎo)型超材料，石墨烯型超材料和塊型超材料等。

按照工作方式不同可以分為諧振型超材料和非諧振型超材料。諧振型超材料一般工作在諧振頻率附近，工作頻帶比較窄，損耗也比較大；非諧振型遠(yuǎn)離諧振頻率，工作頻帶比較寬，損耗也較小，但是參數(shù)變化范圍也小。

超材料的應(yīng)用

超材料的重大科學(xué)價(jià)值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出革命性的應(yīng)用前景得到了世界各國(guó)政府、科技界、產(chǎn)業(yè)界，以及國(guó)防部門(mén)的密切關(guān)注。美國(guó)國(guó)防部啟動(dòng)了關(guān)于超材料的多項(xiàng)研究計(jì)劃，美國(guó)大型的半導(dǎo)體公司如英特爾、美國(guó)超威半導(dǎo)體（AMD）和國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（IBM）等也成立了聯(lián)合基金資助相關(guān)研究。歐盟組織了 50 多位頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(jīng)費(fèi)支持。日本在經(jīng)濟(jì)低迷之際出臺(tái)了一項(xiàng)研究計(jì)劃，支持至少兩個(gè)關(guān)于超材料技術(shù)的研究項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目的研究經(jīng)費(fèi)約為 30 億日元。超材料的研究和工程化應(yīng)用在近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。在電磁超材料方面，科學(xué)家對(duì)各種電磁諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)展出了多種基于金屬線(xiàn)和 SRR環(huán)的衍生結(jié)構(gòu)以及介質(zhì)結(jié)構(gòu)的人工原子，并設(shè)計(jì)研制出了隱身斗篷、完美透鏡等新型超材料器件；與此同時(shí)，將微納加工技術(shù)引入到了超材料的制備，發(fā)展出了可在光學(xué)頻段下工作的各種超材料和器件。近年來(lái)，超材料也從電磁領(lǐng)域逐漸走向了力學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)以及傳質(zhì)等領(lǐng)域，一系列具有超常性質(zhì)和奇異功能的新型超材料相繼問(wèn)世。

審核編輯 ：李倩