跳至內容

負折射率超材料

本頁使用了標題或全文手工轉換
維基百科，自由的百科全書
負折射率超材料令光線以迥異於平常的正折射率材料不同的方式折射或彎曲。

負折射率超材料或負折射率材料（NIM）是一種人造光學結構，它的折射率對於一定頻率範圍內的電磁波是負值。目前沒有任何天然材料擁有這一屬性。廣義地說，超材料可以指任何合成材料，但一般上指的是擁有負折射率的一類材料，這些材料具有不尋常的光學屬性和奇異的性質。[1]負折射率超材料由基本結構單元週期性排列構成，基本結構單元稱為單胞，單胞的大小明顯小於光的波長。單胞在實驗室最早由印刷電路板材料製成，即由導線和介電質製成。通常情況下，這些人工製備的單胞按特定的重複形式堆疊或在平面上排列起來，組成單個的超材料。

負折射率超材料的單胞對光的響應是在構築材料之前預先設計好的，材料總的對光的響應主要由單胞的幾何形狀決定，行為與其組分對光的響應有著根本的不同。超材料是「從下到上合成的有序宏觀材料」，具有其組分所不具有的湧現性質。[2]

負折射率超材料與以下術語為同義語：左手材料或左手介質(LHM)、後向波(BW)介質、雙負性(DNG)材料超材料等 [1]。

性質

A split-ring resonator array arranged to produce a negative index of refraction, constructed of copper split-ring resonators and wires mounted on interlocking sheets of fiberglass circuit board.
The total array consists of 3 by 20×20 unit cells with overall dimensions of 10×100×100 milimeters.[3][4] The height of 10 milimeters measures a little more than six subdivision marks on the ruler, which is marked in inches.
Credit: NASA Glenn Research Center （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.

負折射率超材料由俄羅斯理論物理學家維克托·韋謝拉戈（英語：Victor Veselago）於1967年在理論上首次提出[5]。當時，這種材料被稱為「左手材料」或「負折射率」材料，其光學性質與玻璃、空氣等透明物質的性質相反，光在這種材料中的彎曲和折射行為不同尋常，出人意料，背離人類的直覺。然而，直到33年後，第一個實用的超材料才被製造出來。[1][5][6]

負折射率超材料用於以新的方式控制電磁波。比如，天然物質的光學和電磁性質通過化學來改變，而超材料通過單胞的幾何排列來控制電磁性質。單胞有序排列的線度小於電磁波的某一波長。人工的單胞對波源的電磁輻射有響應。超材料對電磁波的總的響應比通常材料更寬廣。[1][6]

通過改變單胞的形狀、大小和構型，可以改變材料的電容率和磁導率，由此控制電磁波的傳輸。電容率和磁導率這兩個參數決定了電磁波在物質中的波的傳播。調控這兩個參數可以使材料的折射率為負值或零，而通常的材料的折射率為正值。超材料的性質依賴於人的預先設計，其光學性質是透鏡、平面鏡和常規材料所不及。[1][5][6]

反向傳播

在負折射率超材料中，電磁波可以反向傳播，這使得繞射極限下分辨成像成為可能，此即為亞波長成像。

材料

第一個實用的超材料工作於微波波段。外形上，它像一個個水晶宮格子，格子的間距小於微波波長。

光頻帶

應用

負折射率材料在傳統領域中的應用如無線電，電磁波接收系統等，用於製作超材料天線。其他方面的應用正在研究中，如電磁波，微波吸收裝置、小型諧振腔、波導管、相位補償器、微波透鏡等等。它們藉由超材料的性質可以不受繞射效應的限制。 [7][8][9][10]

在可見光範圍，超材料製成的透鏡可以避開繞射效應的限制，用來研發毫微光刻技術來製備納米電路。這會在生物醫學以及亞波長影印技術方面大展宏圖。 [10]

負的介電常數和磁導率

複合材料的頻帶

左手材料的描述

各向同性與負參數

負折射率的實驗驗證

NIM的基本的電磁特性

左手材料的負折射率

對可見光的影響

負折射率材料的影響

當導磁率μ= 1時，負折射率材料會導致電動力學方程式計算結果的改變。當μ的值大於1時，會影響到包括司乃耳定律、都卜勒效應、切倫科夫輻射、菲涅耳方程式以及費馬原理。 [11]

由於折射率是光學中的一個中心概念，改變折射率會重新認識、定義一些光學定律[10]。

反常色散現象

高斯光脈衝在通過反常色散介質時會出現反常色散現象（隨著波長增加，折射率增加，可能導致群速度大於光速的情況被稱作反常色散現象）[12][13]。但資訊的傳遞速度總是被限制在光速以下[12][14]。

學術研究

超材料是美國政府廣泛研究的領域，包括美國空軍，美國軍隊，以及美國海軍航空系統司令部。同時，眾多的院校也在研究這一課題。

參見

參考

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Engheta, N.; Ziolkowski, R. W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley & Sons. 2006. Chapter 1. ISBN 978-0-471-76102-0. 
  2. ^ Shivola, Ari. "Electromagnetic Emergence in Metamaterials: Deconstruction of terminology of complex media （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）". Advances in Electromagnetics of Complex Media and Metamaterials. Eds. Saïd Zouhdi, Ari Sihvola, Mohamed Arsalane. pgs. 3-18 Kluewer Academic. 2002.
  3. ^ Shelby, R. A.; Smith, D. R.; Shultz, S.; Nemat-Nasser, S. C. Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial (PDF). Applied Physics Letters. 2001, 78 (4): 489 [2013-01-26]. Bibcode:2001ApPhL..78..489S. doi:10.1063/1.1343489. （原始內容 (PDF)存檔於2010-06-18）. 
  4. ^ 引用錯誤：沒有為名為comp的參考文獻提供內容
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Veselago, V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ (PDF). Soviet Physics Uspekhi. 1968, 10 (4): 509–514. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699. [永久失效連結]
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 引用錯誤：沒有為名為NIST-metamat的參考文獻提供內容
  7. ^ Engheta, N.; Ziolkowski, R. W. A positive future for double-negative metamaterials (PDF). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005, 53 (4): 1535 [2013-01-26]. Bibcode:2005ITMTT..53.1535E. doi:10.1109/TMTT.2005.845188. （原始內容存檔 (PDF)於2018-11-23）. 
  8. ^ Beruete, M.; Navarro-Cía, M.; Sorolla, M.; Campillo, I. Planoconcave lens by negative refraction of stacked subwavelength hole arrays (PDF). Optics Express. 2008, 16 (13): 9677–9683 [2013-01-26]. Bibcode:2008OExpr..16.9677B. PMID 18575535. doi:10.1364/OE.16.009677. （原始內容 (PDF)存檔於2009-12-13）. 
  9. ^ Alu, A.; Engheta, N. Guided Modes in a Waveguide Filled with a Pair of Single-Negative (SNG), Double-Negative (DNG), and/or Double-Positive (DPS) Layers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004, 52: 199. Bibcode:2004ITMTT..52..199A. doi:10.1109/TMTT.2003.821274. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 Shalaev, V. M. Optical negative-index metamaterials (PDF). Nature Photonics. 2007, 1: 41. Bibcode:2007NaPho...1...41S. doi:10.1038/nphoton.2006.49. 
  11. ^ Veselago, Viktor G. Electrodynamics of materials with negative index of refraction (pay wall). Physics-Uspekhi. 2003, 46 (7): 764. Bibcode:2003PhyU...46..764V. doi:10.1070/PU2003v046n07ABEH001614. 
    • Alternate source at:
    • Lim Hock; Ong Chong Kim, and Serguei Matitsine. Electromagnetic Materials:. Proceedings of the Symposium F (ICMAT 2003). SUNTEC, Singapore: World Scientific. 7–12 December 2003: 115–122. ISBN 978-981-238-372-3.  paper by Victor G. Veselago. Electrodynamics of materials with negative index of refraction.
  12. ^ 12.0 12.1 Dolling, Gunnar; Christian Enkrich; Martin Wegener; Costas M. Soukoulis; Stefan Linden. Simultaneous Negative Phase and Group Velocity of Light in a Metamaterial. Science. 2006, 312 (5775): 892–894. Bibcode:2006Sci...312..892D. PMID 16690860. doi:10.1126/science.1126021. 
  13. ^ Garrett, C. G. B.; D. E. McCumber. Propagation of a Gaussian Light Pulse through an Anomalous Dispersion Medium (PDF). Phys. Rev. A. 1969-09-25, 1 (2): 305–313. Bibcode:1970PhRvA...1..305G. doi:10.1103/PhysRevA.1.305. [永久失效連結]
  14. ^ Stenner, M. D.; Gauthier, D. J.; Neifeld, M. A.; Gauthier; Neifeld. The speed of information in a 'fast-light' optical medium. Nature. Oct 2003, 425 (6959): 695–8. Bibcode:2003Natur.425..695S. PMID 14562097. doi:10.1038/nature02016. 
  15. ^ FOM Institute. [2013-01-26]. （原始內容存檔於2008-12-27）. 

拓展閱讀

外部連結

取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=负折射率超材料&oldid=83271806」