材料物理概论1章§1.3 － 2012年最新电子科技大学材料物理课件

材料物理概论第 1章 1.3 11.3.1.超常材料概述 超常材料（ Metamaterial）是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇。 拉丁语 “meta-”，可以表达 “超出 ”， “亚 ”和 “另类 ”等含义。 对于 metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，1.3 超常材料 材料物理概论第 1章 1.3 2 一般文献中的定义是 “自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料 ”。 有以下三个特征： 通常是新奇人工设计结构的复合材料； 具有超常的物理性质（往往是自然界的材料所不具备的）； 其性质往往不取决于构成材料的本征性质，而主要取决于其中的人工设计结构。 人们已经发展出的这类 “超常材料 ”包括左手材料，光子晶体，声子晶体以及超常磁性材料等等。 材料物理概论第 1章 1.3 3 对于 metamaterial一词的称呼，我国尚未完全一致，有称为超材料、在国内Metamaterial有多种名称，如超材料、左手材料、人工电磁介质、特异介质等。 本节着重介绍左手材料、光子晶体和声子晶体等超常材料。材料物理概论第 1章 1.3 41.3.2左手材料1.左手材料与右手材料 自然界中物质的介电常数和磁导率一般都与电磁波频率有关。 波在低损耗介质中传播，此时电磁参数 和 可以看作实数，根据 、 的正负取值。 材料可以分为如图 1.3.1所示的 4类。 材料物理概论第 1章 1.3 5 在自然界中，大多数材料位于 象限。 对于无损耗、各向同性、空间均匀的介质，根麦克斯韦 (Maxwell)方程组可知 E、 H、 k之间满足右手螺旋关系 (右手规律)。 这种介质材料就被称之为 “右手材料”(right-handed materials)。 根据， Maxwell方程，当一束平面波在位于象限 的各向同性材料中传播时，波矢量为实数，因此波可以在这种材料中传播 材料物理概论第 1章 1.3 6 波在位于第 和 .象限的介质中传播时，如果介质的介电常数和磁导率其中一个为正数而另一个为负数，则此时 k20，波矢量为虚数，波动方程无实的波动解，这时材料的耗散非常大，一般认为电磁波在该类介质中不能传播，因为这类材料对频率具有截止功能。 对于位于第 象限的材料，介质的介电常数和磁导率都小于零， 但 和 “的乘积仍然为正， 波动方程也有波动解，电磁波就能在其中传播。材料物理概论第 1章 1.3 7 与 象限材料相比，料相比，虽然波方程没有改变，但 Maxwell方程旋度方程发生了改变，从而引起了电磁波传播性质上的根本变化。 波在其中传播时，电场 E磁场 H和波矢量k的方向将互成左手系，这时波矢量 k与能流 Poynting矢量 S方向相反。 E、 H、 k之间不再满足右手螺旋关系，而是满足 “左手螺旋 ”关系。 具有这种关系的介质材料就被称为左手材料（ Left handed Material LHM）。材料物理概论第 1章 1.3 8 左手材料是前苏联理论物理学家 Veselago于 1967年最先提出来的。当时自然界观察不到这种材料的存在，不可利用。Veslago所做的工作只停留在理论假说上。 “左手材料 ”中代表电磁波相速方向的 k和玻印廷矢量 S的方向相反 图 1.3.2为电磁波在左手材料与右手材料电场、磁场 ihx波向量（相速）和能量密度（ Poynting矢量 S）的对比。 材料物理概论第 1章 1.3 92.左手材料的电磁特性（ 1）负折射效应 在光的电磁理论中，无源介质内频率为 的电磁波满足的方程为 其中 n为折射率。 对于方程 (1.3.1)对于 n和 n都成立。 如果单从电磁波的方程来看，取正号和取负号都是容许的，但实际上，折射率的符号并不任意，而是要受到物理要求的限制。 材料物理概论第 1章 1.3 10 折射率的表示式应写成 对于左手材料，电磁波满足的方程仍是方程 (1.3.1)，但折射率必须取负值，这才满足能量守恒定律。 当单色平面波入射到两介质界面时就会发生反射和折射现象（如图 1.3.3），其折射现象满足 Snell定律。 材料物理概论第 1章 1.3 11 对于正常材料，该现象称为 “正折射 ”；若介质 1为正常材料 RHM，若介质 2为 LHM时，折射光线 3和入射光线 1位于界面法线同侧，相当于折射角为负值，且折射光线的能流密度 S方向与波矢 k方向相反，称为 “负折射 ”。 折射角大小仍由 Snell定律确定，若把折射率取为负值，那么 Snell定律仍然成立。所以左手材料又称负折射率材料。 材料物理概论第 1章 1.3 12（ 2）逆 Doppler效应 当波源和观察者互相接近时，观察到的振动频率增加；当两者互相远离时，观察到的振动频率减少，这就是著名的Doppler效应。 类比声波在空气中的传播，一列火车在迎面开来的时候听到的笛声频率逐渐升高，音调变高；反之，笛声频率逐渐减小，音调变低。 材料物理概论第 1章 1.3 13 但 LHM内波的相速度和群速度方向相反，即能量传播的方向和相位传播的方向相反。 所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低，反之则会升高，从而出现逆 Doppler效应。 当反射界面相对于波源后退时，反射波频率在普通材料内降低，而在 LHM中却会升高。 材料物理概论第 1章 1.3 14（ 3）反常切伦柯夫辐射 当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，诱导电流激发次波，当粒子速度超过介质中光速时，这些次波与原来粒子的电磁场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫辐射。 而在负群速度左手介质中 ,能量的传播方向与相速相反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出，辐射方向形成一个向前的锥角。 如图 1.3.4示意的两种情况下的切伦柯夫辐射情形。材料物理概论第 1章 1.3 153.左手材料的制作 1996年 Pendry从理论上研究了金属线(wires) 阵列的电磁性质，发现周期性排列的金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为相似，其介电常数为 ()=1-2p/2，式中 p为等离子振荡的本征频率。 当 p时，可以使介电常数为负值。 这就可能得到负介电常数的物质了。 材料物理概论第 1章 1.3 16 同时他还研究了周期性排列的开口谐振环（Split ring resonators， SRRs）电磁响应行为。 开口环型谐振器在受到微波磁场的作用时会感应出环电流，这好比一个磁矩，加强或者抵抗原磁场， 其结构的有效磁导率()=1-F20/(2-20+i)。 当 0b时 0，其中 0为 SRRs的谐振 频率，； F确定了负磁导率的频带宽度， 为损耗参数。 材料物理概论第 1章 1.3 17 随后 Smith等采用电路板刻蚀技术，在GIO纤维玻璃板正反面制作了铜制 SRRs和铜线，并周期性排列成周期性结构，首次获得微波段左手材料 (图 1.3.5)。 他们还设计了劈尖状左手材料样品，实验结果显示，常规材料的峰值发生在 27，而左手材料的峰值发生在大约 -61，这样首次在实验中观察到了负折射现象。材料物理概论第 1章 1.3 18 左手材料的实现要求介电常数和磁导率同时小于零，即系统中必须存在两个独立的谐振 (电谐振和磁谐振 )，且谐振的频段要有重叠部分，实现起来比较困难。 现在有采用不同结构的多种左手材料。材料物理概论第 1章 1.3 194.左手材料的应用（ 1）光学方面的应用 以 “左手材料 ”为材质制作的凸透镜或凹透镜，会分别表现出散光或聚光的效果，平板状的左手材料，则会有类似一般凸透镜的聚光效果，如图 1.3.7所示。 这样我们能用一块负折射率的平板玻璃构成一块透镜。 材料物理概论第 1章 1.3 20 利用 “左手材料 ”还可能制成所谓的 “完美透镜 ”(perfect lens)。 传统透镜的分辨率只能达到 2/k的数量级，这是造成 DVD读写密度和光刻尺度限制的主要原因。 “左手材料 ”制成的透镜，在合适的条件下可以实现亚波长分辨率。 “完美透镜 ”左手材料元件可以很方便地对微波进行滤波、调控与聚焦，它还有可能用于新型波导和光纤。 材料物理概论第 1章 1.3 21（ 2）微波方面的应用 通过正负折射率周期交替的结构可以获得具有优异微波特性的波导器件在一定的工作带宽内人工材料会同时具有右手、左手特性即所谓的 “左右手混合材料 (CRLH)，它可以大大缩小微带天线的尺寸。 利用异向介质在某个频段内折射率接近于 0的特性制造的天线，波束透射到真空中时发生折射的折射角接近于 0，基本上沿着近轴方向辐射，具有很强的定向辐射能力。材料物理概论第 1章 1.3 22 左手材料还可以替代微带天线的传统介质基板，利用其对表面波的抑制来减少边缘散射，提高天线的辐射效率； 利用左手材料和普通材料的双层结构构成的谐振器，可以使谐振腔的尺度远远小于一个波长长度。 材料物理概论第 1章 1.3 23（ 3）隐身应用 不发光物质之所以可见，就是因为它反射和散射的光线。 左手材料制造的兵器可能将光线或雷达波反向散射出去，使得从正面接收不到反射的光线或微波，从而实现隐身。 “隐身斗篷 ”的基本原理是：通过在物体表面包覆一层具有特殊设计的，具有一定介电常数和磁导率分布的材料，这样入射光或电磁波将被弯曲，并且绕过包覆层，从而出现隐身人的结果。 材料物理概论第 1章 1.3 24 身穿 “隐身斗篷 ”的人就好像在空间中挖开了一个洞，任何光和电磁波将直接穿透这个洞，从而不会看到斗篷中隐藏的物质。 “隐身斗篷 ”将不仅仅被应用于 “隐身 ”，凭借它的帮助，任何电磁信号都可以更为有效地绕开干扰和阻隔，从而保持信号的完整性。 因此， “隐身斗篷 ”在抗 EMI器件中也将有广阔的应用前景。 材料物理概论第 1章 1.3 251.3.3光子晶体 光子晶体是将不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列所形成的一种人造晶体结构。 在光子晶体中，介电常数不同的材料代替了原子作为结构单元，对光而言，这些单元也是一种周期性系统，也会形成势场。 光在其中传播时，会发生电子在半导体中的类似现象。 这种结构就称为光子晶体。 材料物理概论第 1章 1.3 26 在 1991年，俄国的 Yablonovich制作了第一块光子晶体。 他所采用的方法是