超材料

1、超材料：科學與技術發(fā)展的一種新前沿摘要摘要：超材料指的是一些具有自然界的天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料，在近十年來已經成為了材料科學、物理、化學以及工程學等學科的前沿發(fā)展方向。本文對超材料的基本理論與原理、最新的進展以及未來的發(fā)展方向做了詳細的介紹。首先展示了超材料的基本原理與理論以及發(fā)展歷程，其次針對最新發(fā)展做了介紹，包括超透鏡、隱身斗篷和光子晶體以及超材料制備等。最后，本文對超材料研究的未來發(fā)展方向與趨勢作了

2、詳細討論。關鍵字：超材料負折射完美透鏡光子晶體材料制造1引言引言在3000多年前，人類就掌握了制銅技術，并學會了制作較高性能的銅合金的方法。在2000多年前人們又掌握了煉鐵技術。在20世紀六十年代，半導體材料飛速發(fā)展起來。人們在利用這些材料基本是在原子與分子級別。近些年來納米技術又飛速的發(fā)展，在納米尺寸級別人類又有很多重要的發(fā)現與發(fā)明。超材料是一種與上面所介紹的材料都不一樣的全新材料。它提供了一種可以讓人們隨心所欲的制造具有許多特殊物理

3、性質的全新思路與方法。超材料的基本設計思路是以某種具有特殊功能的人工結構為基礎。例如，材料中所呈現的一些物理性質往往和材料結構中的關鍵物理尺度有關，一個最直觀的例子是晶體。晶體是自然界中物質的有序結構的一個重要形式，它的有序主要存在于原子層次，正是由于在這個尺度上的有序性調制，使晶體材料形成了一些無定型態(tài)所不具備的物理特征，上面所提到的半導體材料中最重要的單晶硅即是一種典型的晶體。由此類比，在其它層次上的有序排列則可能獲得一定程度的自然

4、界中的材料所不具備的物理性質.。因此，人們可以通過各種層次的有序結構實現對各種物理量的調制，從而獲得自然界中在該層次上無序或無結構的材料所不具備的物理性質。2基本原理基本原理按照定義，和單位矢量成右手系，所以以上兩式左邊系數必須都為正。即要求折2射率介電常數與磁導率同號。.0n000n00??????????????????時，當時，當即從理論上推證了同時小于零的情況。由于在此介質中，電場、磁場和波矢成左手系，所以負折射材料又稱左手材料

5、，如圖1所示。圖1a圖1b圖1a，圖1b光線從正折射率材料射入負折射率材料時發(fā)生的負折射現象然而負折射率材料的構想雖然很有趣，但是自然界中并不存在這種材料。英國帝國理工學院的Pendry[2]從麥克斯韋方程和物質本構方程出發(fā)，通過理論計算指出：（1）間距在金屬細線在毫米級的格子具有類似等離子體的物理行為，共振頻率在GHz與低于此頻率時介電常數出現負值；（2）利用非磁性導電金屬薄片構成開環(huán)共振器（Splitringresonat，SRRs

6、）并組成方陣，可實現負的有效磁導率，而且負的磁導率是可調的，這是自然界的物質無法達到的。Smith等[3]人按照Pendry的理論構想，利用金屬銅的開環(huán)共振器和導線組成二維周期性結構，首次在試驗上制造出微波波段具有負介電常數、負磁導率的介質，如圖2。這種人工介質對微波表現出反常的折射方向。隨后，Eleftheriades等[3]和Parazzoli等[4]分別發(fā)表了微波波段負折射率的報告。兩組科學家在實驗中直接觀測到了逆折射定律：折射發(fā)