左手材料歷史及前景分析

　　左手材料”是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料。電磁波在其傳播時(shí)，波矢k、電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間的關(guān)系符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。它具有負(fù)相速度、負(fù)折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等奇異的物理性質(zhì)。“左手材料”顛倒了物理學(xué)的“右手規(guī)律”，而后者描述的是電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系及其波動(dòng)的方向。

　　左手材料——源于上世紀(jì)60年代科學(xué)家的假想

　　本世紀(jì)以來(lái)，一種被稱為“左手材料”的人工復(fù)合材料在固體物理、材料科學(xué)、光學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)始獲得愈來(lái)愈廣泛的青睞，對(duì)其的研究正呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢(shì)，而它的出現(xiàn)卻是源于上世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)科學(xué)家的假想。

　　物理學(xué)中，介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ是描述均勻媒質(zhì)中電磁場(chǎng)性質(zhì)的最基本的兩個(gè)物理量。在已知的物質(zhì)世界中，對(duì)于電介質(zhì)而言，介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ都為正值，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢三者構(gòu)成右手關(guān)系,這樣的物質(zhì)被稱為右手材料(right-handed materials,RHM)。這種右手規(guī)則一直以來(lái)被認(rèn)為是物質(zhì)世界的常規(guī)，但這一常規(guī)卻在上世紀(jì)60年代開(kāi)始遭遇顛覆性的挑戰(zhàn)。1967年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文，首次報(bào)道了他在理論研究中對(duì)物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即：當(dāng)ε和μ都為負(fù)值時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系。他稱這種假想的物質(zhì)為左手材料(left-handed materials,LHM)，同時(shí)指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負(fù)折射、負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等等。這篇論文引起了一位英國(guó)人的關(guān)注，1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個(gè)前蘇聯(lián)物理類學(xué)術(shù)刊物上。但幾乎無(wú)人意識(shí)到，材料世界從此翻開(kāi)新的一頁(yè)。

　　由于左手材料的顯著特點(diǎn)是它的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都是負(fù)數(shù)，所以有人也稱之為“雙負(fù)介質(zhì)(材料)”，通常也被稱為“負(fù)折射系數(shù)材料”，或簡(jiǎn)稱“負(fù)材料”。

　　左手材料——本世紀(jì)初的突破引發(fā)人們無(wú)限遐想

　　左手材料的研究發(fā)展并不一帆風(fēng)順。在這一具有顛覆性的概念被提出后的三十年里，盡管它有很多新奇的性質(zhì)，但由于只是停留在理論上，而在自然界中并未發(fā)現(xiàn)實(shí)際的左手材料，所以，這一怪誕的假設(shè)并沒(méi)有立刻被人接受，而是處于幾乎無(wú)人理睬的境地，直到時(shí)光將近本世紀(jì)時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。原因在于英國(guó)科學(xué)家Pendry等人在1998~1999年提出了一種巧妙的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電系數(shù)與負(fù)的磁導(dǎo)率，從此以后，人們開(kāi)始對(duì)這種材料投入了越來(lái)越多的興趣。2001年的突破，使左手材料的研究在世界上漸漸呈現(xiàn)旋風(fēng)之勢(shì)。

　　2001年，美國(guó)加州大學(xué)San Diego分校的David Smith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，微波以負(fù)角度偏轉(zhuǎn)，從而證明了左手材料的存在。

　　2002年7月，瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的左手材料，這將可能對(duì)電子通訊業(yè)產(chǎn)生重大影響，相關(guān)研究成果也發(fā)表在當(dāng)月的美國(guó)《應(yīng)用物理快報(bào)》上。

　　2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授從理論上證明了左手材料存在的合理性，并稱這種人工介質(zhì)可用來(lái)制造高指向性的天線、聚焦微波波束、實(shí)現(xiàn)“完美透鏡”、用于電磁波隱身等等。左手材料的前景開(kāi)始引發(fā)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界尤其是軍方的無(wú)限遐想。

　　2003年是左手材料研究獲得多項(xiàng)突破的一年。美國(guó)西雅圖 Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 與加拿大University of Toronto電機(jī)系的G. Eleftheriades所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到了負(fù)折射定律;Iowa State University的S. Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子晶體做為介質(zhì)的左手物質(zhì)理論仿真結(jié)果;美國(guó)麻省理工學(xué)院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》雜志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；诳茖W(xué)家們的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，左手材料的研制赫然進(jìn)入了美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的2003年度全球十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。

　　2003年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)吳群教授帶領(lǐng)的課題組全面開(kāi)展了左手材料的相關(guān)研究工作。截至目前，在左手材料領(lǐng)域，共承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)，國(guó)家973項(xiàng)目子課題2項(xiàng);在國(guó)際、國(guó)內(nèi)一流學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI檢索論文57篇，EI檢索論文103篇，在國(guó)際、國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議上獲優(yōu)秀論文獎(jiǎng)4次，特邀報(bào)告4次;受?chē)?guó)防科技出版基金資助出版學(xué)術(shù)專著1部;已授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)。主要研究方向涵蓋了四大方面：“左手材料激發(fā)機(jī)理分析與電磁特性分析”、“性能優(yōu)良的左手材料構(gòu)造與驗(yàn)證”、“左手材料在新型微波器件中的應(yīng)用”和“基于左手材料的隱身技術(shù)”。

　　2004年，國(guó)際學(xué)術(shù)界開(kāi)始出現(xiàn)上?？茖W(xué)家的身影?！?73”光子晶體項(xiàng)目首席科學(xué)家、復(fù)旦大學(xué)的資劍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組經(jīng)過(guò)兩年的研究與巧妙設(shè)計(jì)，利用水的表面波散射成功實(shí)現(xiàn)了左手介質(zhì)超平面成像實(shí)驗(yàn)，論文發(fā)表于著名的《美國(guó)物理評(píng)論》雜志上，即刻引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，被推薦作為《自然》雜志焦點(diǎn)新聞之一。同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所以陳鴻教授為首的研究小組從2001年開(kāi)始對(duì)左手材料展開(kāi)研究，經(jīng)過(guò)兩年的研究，在基礎(chǔ)理論和材料的制備與表征方面取得了重大進(jìn)展，成果在國(guó)際物理學(xué)著名刊物上發(fā)表，2004年在國(guó)際微波與毫米波技術(shù)大會(huì)上作大會(huì)報(bào)告，并將在2005年日本召開(kāi)的國(guó)際微波與光學(xué)技術(shù)研討會(huì)上作邀請(qǐng)報(bào)告。

　　2009年初，美國(guó)杜克大學(xué)和中國(guó)東南大學(xué)合作，最近成功研制出微波段新型“隱形衣”，這一研究成果發(fā)表在年初出版的《科學(xué)》雜志上。 作為東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，崔鐵軍教授在計(jì)算電磁學(xué)和新型人工電磁材料等領(lǐng)域做出了很多原創(chuàng)性的研究成果。崔鐵軍教授課題組和杜克大學(xué)史密斯教授課題組于2006年開(kāi)始合作，在新型人工電磁材料的理論分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用上取得了一系列成果，為新型“隱形衣”的研制打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　2009年11月，東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以崔鐵軍和程強(qiáng)為首的研究團(tuán)隊(duì)成功地制作出人造電磁學(xué)收集器，在微波環(huán)境中，它能夠像宇宙中的“黑洞”一樣去吸收環(huán)境中的微波。該成果引起了世界科技界的高度關(guān)注，10月15日，《自然》網(wǎng)站也以“科學(xué)家研制出可攜帶黑洞”為題介紹了這項(xiàng)研究成果。

　　左手材料在本世紀(jì)初已迅速成為科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在國(guó)際主要學(xué)術(shù)刊物上，2000年與2001年所發(fā)表的關(guān)于左手征材料的研究論文數(shù)量分別是13篇與17篇，2002年上升至60篇，2003年上升到100篇以上。

　　左手材料——制造的實(shí)現(xiàn)孕育其巨大的應(yīng)用前景

　　左手材料的巨大應(yīng)用前景源于它的制造實(shí)現(xiàn)。Pendry在2000年就曾建議制作“超級(jí)透鏡”(也稱“理想棱鏡”)以實(shí)現(xiàn)左手材料的應(yīng)用，這一建議在2004年被變成了現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家利用左手材料已經(jīng)成功制造出平板微波透鏡。2004年2月，俄羅斯莫斯科理論與應(yīng)用電磁學(xué)研究所的物理學(xué)家宣布他們研制成功一種具有超級(jí)分辨率的鏡片，但是他們的技術(shù)要求被觀察的物體幾乎接觸到鏡片，這一前提使其在實(shí)際應(yīng)用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學(xué)的科學(xué)家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長(zhǎng)的射線有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜中的位置緊鄰無(wú)線電波。兩國(guó)科學(xué)家的研究成果獲得科學(xué)界的高度贊賞，被美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)為2004年度國(guó)際物理學(xué)會(huì)最具影響的研究進(jìn)展。

　　此外，根據(jù)左手材料不同凡響的特性，科學(xué)家已預(yù)言可以應(yīng)用于通訊系統(tǒng)以及資料儲(chǔ)存媒介的設(shè)計(jì)上，用來(lái)制造更小的移動(dòng)電話或者是容量更大的儲(chǔ)存媒體;等效的負(fù)折射媒質(zhì)電路可以有效減少器件的尺寸，拓寬頻帶，改善器件的性能。未來(lái)，左手材料將會(huì)在無(wú)線通信的發(fā)展中起到不可忽略的作用。

　　左手材料——已被列入我國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金2005年重點(diǎn)項(xiàng)目指南

　　左手材料的研究已引起我國(guó)有關(guān)科學(xué)界的關(guān)注。除上?？茖W(xué)家以外，香港科技大學(xué)、中科院物理研究所、南京大學(xué)、北京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位均有科學(xué)家先行涉足這一領(lǐng)域的研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委將左手材料和負(fù)折射效應(yīng)的研究列入了2005年重點(diǎn)交叉項(xiàng)目指南中，在數(shù)理部和工程與材料學(xué)部聯(lián)合的“準(zhǔn)相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關(guān)基礎(chǔ)性問(wèn)題研究”列為主要探索內(nèi)容之一，在數(shù)理部和信息科學(xué)部聯(lián)合的“周期和非周期微結(jié)構(gòu)的新光子學(xué)特性”主題中將“周期及非周期微結(jié)構(gòu)中在太赫茲、近紅外及可見(jiàn)波段的負(fù)折射效應(yīng)研究”列為主要探索內(nèi)容之一。同時(shí)，基金委信息學(xué)部將“異向介質(zhì)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”列入2005年重點(diǎn)項(xiàng)目指南，異向介質(zhì)即是左手材料的另一個(gè)名稱。