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超材料

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銅質開環諧振器構成的負折射率超材料。銅箔附著於玻璃纖維電路板上。整個陣列包括20*20個元件，總體積為10×100×100 mm。 [1][2]

超材料（英文：Metamaterial）, 又稱超構材料，[3]拉丁語詞根「meta-」表示「超出、另類」等含義。指的是一類具有特殊性質的人造材料，這些材料是自然界沒有的。它們擁有一些特別的性質，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質，而這樣的效果是傳統材料無法實現的。超材料的成分上沒有什麼特別之處，它們的奇特性質源於其精密的幾何結構以及尺寸大小。其中的微結構，大小尺度小於它作用的波長，因此得以對波施加影響[4] [5] [6]。 對於超材料的初步研究是負折射率超材料[7] [8] [9]。

超材料的奇異性質使它具有廣泛的應用前景，從高接收率天線，到雷達反射罩甚至是地震預警。[10] [11] [12] [13] [14]超材料是一個跨學科的課題，囊括電子工程、凝聚態物理、微波、光電子學、經典光學、材料科學、半導體科學以及納米科技等等[5]。

超材料的分類

典型的超材料有仿生超材料、生物超材料、智能超材料、軟性材料、記憶材料、數字超材料、納米複合材料、高效防冰材料、自我修復材料、熱電材料、輻射製冷超材料、隔音超材料、聲電複合超材料、磁光效應材料、左手材料、光子晶體、量子點、電磁晶體、負曲率光纖、超磁性材料、金屬水、離子液體、液態金屬、無聲金屬、磁性液體、鈣鈦礦、光操縱材料、電磁隱身超材料、零折射率超材料、負折射率材料、聲學超材料、力學結構超材料、彈性超材料、無耗能電子材料、人造介質材料、頻率選擇表面、人工磁導體、非正定介質材料、負熱膨脹超材料、可重構超表面、複合超表面、時變超表面、雙曲超材料、梯度超材料、超疏水材料、莫爾手性超材料、活化太赫茲超材料、隱身材料（紅外隱身材料、雷達隱身材料、可見光隱身材料、聲隱身材料、雷射隱身材料）、柔性雷達吸波超材料、自修復防腐材料、基於傳輸線結構的超材料、電漿結構的超材料、雙負(負等效質量密度、負等效彈性模量)彈性超材料等等。

電磁超材料

負折射率超材料

超材料可以有一個負的介電常數和磁導率負。如果兩者都為負，則折射率為負。當折射率為負值，這是可能的電磁場在微波頻率的傳播。[15]

歷史

超材料是在二戰後和微波工程中的人造介質一同發展起來的，但是其萌芽可追溯到19世紀末期人們對控制電磁波的渴望。超材料解釋的基礎在於其等效的介電常數和磁導率，這就是一種本構關係。遺憾的是，這些材料對於不同形式的入射波會有不同的響應，而相關的研究應該歸功於一個叫做頻率選擇表面的技術（frequency selective surface），這個技術是有已故的美國學者B.A.Munk和其研究夥伴創立的。Smith 原本是研究光子晶體的，他們在計算光子晶體的性質的時候運用了一般材料具有本構關係的特性；但是如果你用場的理論來解釋的話，原本就比本構關係要嚴謹很多，也就是運用周期矩量法（Periodic moments method），更能解釋周期結構的電磁學特性，並且能夠顧很快的應用到其設計中去。周期排列的結構可以看成是一個線性的系統，在一個周期信號的激勵下，需要一定的時間才能達到其相應的穩態，這點卻很少有人考慮。傳統材料的分子原子結構非常的小，在一般的微波輻射之下，很快就達到了穩態，我們所謂的本構關係才具有相應的意義。然而，無論是所謂的超材料，還是頻率選擇表面，幾乎所有相關的研究都在避免這個問題。

應用

  • 太赫茲領域
  • 光量子領域
  • 折射率調節
  • 天線
  • 非線性材料
  • 超透鏡
  • 地震測量

參見

參考

  1. ^ 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. Bibcode:2001ApPhL..78..489S. doi:10.1063/1.1343489. （原始內容 (PDF)存檔於2010-06-18）. 
  2. ^ Smith, D. R.; Padilla, WJ; Vier, DC; Nemat-Nasser, SC; Schultz, S. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity (PDF). Physical Review Letters. 2000, 84 (18): 4184–7. Bibcode:2000PhRvL..84.4184S. PMID 10990641. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4184. （原始內容 (PDF)存檔於2010-03-18）. 
  3. ^ 术语在线. www.termonline.cn. [2024-10-20]. 
  4. ^ Engheta, Nader; Richard W. Ziolkowski. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley & Sons. 2006-06: xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. ISBN 978-0-471-76102-0. 
  5. ^ 5.0 5.1 Zouhdi, Saïd; Ari Sihvola; Alexey P. Vinogradov. Metamaterials and Plasmonics: Fundamentals, Modelling, Applications. New York: Springer-Verlag. December 2008: 3–10, Chap. 3, 106. ISBN 978-1-4020-9406-4. 
  6. ^ Smith, David R. What are Electromagnetic Metamaterials?. Novel Electromagnetic Materials. The research group of D.R. Smith. 2006-06-10 [2009-08-19]. （原始內容存檔於2009-07-20）. 
  7. ^ Shelby, R. A.; Smith D.R; Shultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction. Science. 2001, 292 (5514): 77–9. Bibcode:2001Sci...292...77S. PMID 11292865. doi:10.1126/science.1058847. 
  8. ^ Pendry, John B. Negative Refraction (PDF). Contemporary Physics (Princeton University Press). 2004, 45 (3): 191–202 [2009-08-26]. Bibcode:2004ConPh..45..191P. ISBN 0-691-12347-0. doi:10.1080/00107510410001667434. （原始內容 (PDF)存檔於2011-07-17）. 
  9. ^ Veselago, V. G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of [permittivity] and [permeability]. Soviet Physics Uspekhi. 1968, 10 (4): 509–514. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699. 
  10. ^ Brun, M.; S. Guenneau; and A.B. Movchan. Achieving control of in-plane elastic waves. Appl. Phys. Lett. 2009-02-09, 94 (61903): 1–7. Bibcode:2009ApPhL..94f1903B. arXiv:0812.0912 可免費查閱. doi:10.1063/1.3068491. 
  11. ^ Smith, David R; Research group. Novel Electromagnetic Materials program. 2005-01-16 [2009-08-17]. （原始內容存檔於2009-08-19）. 
  12. ^ Rainsford, Tamath J.; Samuel P. Mickan; Derek Abbott. T-ray sensing applications: review of global developments. Proc. SPIE (Conference Location: Sydney, Australia 2004-12-13: The International Society for Optical Engineering). 9 March 2005,. 5649 Smart Structures, Devices, and Systems II (Poster session): 826–838. doi:10.1117/12.607746. 
  13. ^ Cotton, Micheal G. Applied Electromagnetics (PDF). 2003 Technical Progress Report (NITA – ITS) (Boulder, CO, USA: NITA – Institute for Telecommunication Sciences). 2003-12,. Telecommunications Theory (3): 4–5 [2009-09-14]. （原始內容 (PDF)存檔於2008-09-16）. 
  14. ^ Alici, Kamil Boratay; Özbay, Ekmel. Radiation properties of a split ring resonator and monopole composite. Physica status solidi (b). 2007, 244 (4): 1192–96. Bibcode:2007PSSBR.244.1192A. doi:10.1002/pssb.200674505. 
  15. ^ Prati, Enrico. Microwave propagation in round guiding structures based on double negative metamaterials. International journal of infrared and millimeter waves. 2006, 27 (9): 1227––1239. doi:10.1007/s10762-006-9134-3. 


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