左手材料-双负材料-科普知识-ppt
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左手材料(LeftHanded Metamaterials)及负折射率的研究进展共24页PPT
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
60、人民的幸福在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
左手材料（LeftHanded Metamaterials） 及负折射率的研究进展
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
60、人民的幸福在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
左手材料（LeftHanded Metamaterials） 及负折射率的研究进展
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
左手材料经典结构双负特性及后向波性质探究
左手材料经典结构双负特性及后向波性质探究摘要：通过对左手材料经典杆环结构的理论推导，证明了其介电常数与磁导率双负的特性。
提出其后向波性质为左手材料所有奇异性质的基点，并从熵条件的角度探讨了产生后向波的机制，证明了左手材料波前与能量传播的关系，间接说明其不违背能量守恒，证明了左手材料存在性。
展望了左手材料的未来三大应用。
关键词：左手材料；杆环结构；双负特性；后向波Abstract: through the theoretical derivation of left-handed materials´ classical pole-ring structure,the dielectric constant and magnetic permeability of the double negative features are proved.The idea that backward?wave properties are??basis points?for the singular nature of left-handed materials is offered,and from the perspective of the entropy condition,the after wave mechanism is?discussed. The relationship between the spread of?energy and?the wavefront of left-handed materials is proved, ? indirectly?illustrating it?does not breach of conservation of energy, and its existence is proved. Three major applications of the left hand in the future are foreseed.Key words: left-handed materials;rod-ring structure;double negative features;backward wave众所周知，介电常数ε和磁导率μ是描述电磁波在介质中传播性质的重要参数。
左手材料 双负材料 科普知识 ppt
②
负折射现象
当波通过两介质之间的界面时,如图所示。一边 的磁导率μ1 和电导率ε1 均大于 0,另 一边的磁导率 μ2 和电导率ε2 均小于 0。
设对 2 种媒介使用 Maxwell 方程都将被满足, 则有边界条件:
可见,E 和 H 沿法线分量 En2 和 Hn2 的正负号,在 ε2/ε1<0，μ2/μ1<0 时将和ε2/ε1>0， μ2/μ1>0 时 符号的相对,那么,和ε2/ε1>0，μ2/μ1>0 的情况相对， 在左手材料中折射光 线将关于 z 轴对称传播。
SRRs可以看作由电感和电容组成LC电路，当 SRRs减小到一定尺寸时，其电感L和电容C不再继 续减小，谐振频率趋近于某一定值。即采用金属微 结构理论上不能实现可见光波段磁响应。另外，损 耗也是限制可见光波段磁响应的原因。当结构单元 尺寸与趋肤深度可比较时，其电阻损耗和趋肤深度 问题变得更为突出。
双负材料的应用前景： ① 制作高分辨率的显微镜镜片。 传统的光学镜头不能将光线聚焦到小于光线 2004年2月，俄罗斯莫斯科理论和应用电磁 波长的尺寸。 学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具 左手材料制作的“超级透镜”： 有超级分辩率的镜片。 一方面，可实现平板聚焦，无需制成曲面； 同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出 另一方面，可将光线聚焦到光线波长以下， 一种左手镜片。 甚至可以检测单个物质分子； 两国科学家的研究成果获得科学界的高度 赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理 还能放大消逝波，将二维像点的所有傅立 学会最具影响的研究成果。 叶分量全部聚焦，实现“理想成像”；
2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多 大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出 一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。 目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验 上都有很大进展。研究还表明LC左手材料在微波 电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。 在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论 上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导 向介质”。 2003年美国ParazzoliCG等人及Houcl等人同时分 别进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数 据和模拟计算非常吻合，都晰而显着地展示出负 折射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率 是一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料 的存在。
左手材料与负折射_胡晶磊
Smith 等[6] 按照 Pendry 的理论构想 ,利用金属铜 的开环共振器和导线组成二维周期性结构 ,首次在 实验上制造出微波波段具有负介电常数 、负磁导率 的介质 (如图 1) 。这种人工介质对微波表现出反常 的折射方向[7] 。Smith 等[8 ,9] 的实验结果遭到了好几 位物理学家的质疑 ,原因是他们认为左手物质将违 反因果律 、光速上限以及能量守恒的原理 。
Abstract This paper focused on left2handed materials (LHM) both from theoretical point and experimental aspects. The methods to realize left2handed medium are reviewed , including combination of split ring resonators (SRRs) with thin metal wires , and those beyond SRRs. We concentrated on superlens effect , the most promising effect of LHM , and photonic crystals , which bear some analogy to LHM but distinguished from LHM. A brief introduction to domestic research of negative refracting materials is given , and two possible routes to negative refracting via functional polymeric materials are suggested.
Abstract This paper focused on left2handed materials (LHM) both from theoretical point and experimental aspects. The methods to realize left2handed medium are reviewed , including combination of split ring resonators (SRRs) with thin metal wires , and those beyond SRRs. We concentrated on superlens effect , the most promising effect of LHM , and photonic crystals , which bear some analogy to LHM but distinguished from LHM. A brief introduction to domestic research of negative refracting materials is given , and two possible routes to negative refracting via functional polymeric materials are suggested.
左手材料漫谈
左手材料漫谈邓苏南李理左手材料是近年来国际物理学和电磁学的一个研究热点，是一个全新的领域。
众所周知，介质的电磁特性可以用介电常数ε和磁导率μ这两个宏观参数来描述。
对于通常介质ε>0, μ>0时，电场、磁场和波矢量之间满足右手螺旋关系，称为右手材料；而对于ε<0, μ<0 的介质，电场、磁场和波矢量之间则满足左手螺旋关系，这样的介质被称为左手介质，或左手材料。
在左手材料中能量与相位的传播方向是相反的，且左手材料还必须是色散的。
由于左手材料突破了传统电磁场理论中的一些重要概念，它表现出许多新奇的电磁特性。
本文简要分析了左手材料的一些电磁特性，并结合左手材料的研究现状，对左手材料的发展进行了介绍，并对其发展前景进行了展望。
一、左手材料的发展历程1968 年，前苏联科学家Veselago VG发现介电常数ε和磁导率μ都为负值的物质的电磁学性质与常规材料不同，还指出当平面电磁波照射在这样的媒介时，会发生反常的折射现象，不过其在自然界中并不存在，因此他的研究只是停留在理论上。
1996年Pendry提出了金属线周期结构，这种结构可使介质的介电常数为负。
1999年，Pendry等人又用电介质体设计了一种具有磁响应的周期性结构实现了介质磁导率的负值，进而展现了负折射率材料存在的可能性，人们对这种材料也投入了更多的兴趣。
2001 年，加州大学San Diego分校的Smith等物理学家根据 Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材料的存在。
2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。
目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验上都有很大进展。
研究还表明LC左手材料在微波电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。
在 2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导向介质”。
左手材料-负折射率材料
新型人工原子和分子
借鉴自然界中的原子和分子结构，设计新型的人工原子和分子结构， 以实现更高级的左手材料功能。
多物理场调控材料
探索在电磁场、温度场、压力场等多物理场作用下，左手材料的性 能变化和调控机制，为新材料的研发提供理论支持。
技术创新与应用拓展
高效制备技术
研发新型的制备技术，实现左手材料的快速 、低成本、大规模制备，以满足市场需求。
引领科技革命
左手材料在通信、能源等领域的应用前景广阔，有望引领新一轮 的科技革命。
促进交叉学科发展
左手材料涉及物理学、化学、生物学等多个学科领域，其研究将 促进交叉学科的发展和融合。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
05 左手材料面临的挑战与解 决方案
材料稳定性问题
总结词
左手材料的稳定性问题是限制其应用的关键因素之一。
详细描述
左手材料在外部环境变化下容易发生结构变化和性能衰退，这会影响其负折射率的稳定性和可靠性。
制备成本问题
总结词
高昂的制备成本是阻碍左手材料广泛应 用的重要因素。
VS
详细描述
目前，左手材料的制备通常需要复杂的实 验设备和精细的工艺控制，这导致了较高 的制造成本。降低制备成本是推动左手材 料普及的关键。
应用领域
微波器件
利用左手材料的特殊性质，可 以设计出性能优异的新型微波
器件，如滤波器、天线等。
光学领域
左手材料在光学领域的应用前 景广阔，如光子晶体、光学隐 身等。
军事领域
由于左手材料具有反向的 Doppler效应等特性，可以应 用于军事雷达和隐身技术。
生物医学
左手材料在生物医学领域也有 潜在的应用价值，如医学成像
借鉴自然界中的原子和分子结构，设计新型的人工原子和分子结构， 以实现更高级的左手材料功能。
多物理场调控材料
探索在电磁场、温度场、压力场等多物理场作用下，左手材料的性 能变化和调控机制，为新材料的研发提供理论支持。
技术创新与应用拓展
高效制备技术
研发新型的制备技术，实现左手材料的快速 、低成本、大规模制备，以满足市场需求。
引领科技革命
左手材料在通信、能源等领域的应用前景广阔，有望引领新一轮 的科技革命。
促进交叉学科发展
左手材料涉及物理学、化学、生物学等多个学科领域，其研究将 促进交叉学科的发展和融合。
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05 左手材料面临的挑战与解 决方案
材料稳定性问题
总结词
左手材料的稳定性问题是限制其应用的关键因素之一。
详细描述
左手材料在外部环境变化下容易发生结构变化和性能衰退，这会影响其负折射率的稳定性和可靠性。
制备成本问题
总结词
高昂的制备成本是阻碍左手材料广泛应 用的重要因素。
VS
详细描述
目前，左手材料的制备通常需要复杂的实 验设备和精细的工艺控制，这导致了较高 的制造成本。降低制备成本是推动左手材 料普及的关键。
应用领域
微波器件
利用左手材料的特殊性质，可 以设计出性能优异的新型微波
器件，如滤波器、天线等。
光学领域
左手材料在光学领域的应用前 景广阔，如光子晶体、光学隐 身等。
军事领域
由于左手材料具有反向的 Doppler效应等特性，可以应 用于军事雷达和隐身技术。
生物医学
左手材料在生物医学领域也有 潜在的应用价值，如医学成像
左手材料的研究概述
由此 可 知 ，在 左 手 介 质 中 ，波 的相 位 传 播
但是在接 下来的３ Ｏ 多 年 里 ，并 没 有 在 实 验 中观 矢 量Ｋ 、 电场 强度Ｅ ＊ ｎ 磁 场强度Ｈ 与 常规介 质相 察 到 理 论所 预 言 到 的现 象 ，所 以 左 手 材 料 并 没 同，也是相互 垂直的 ，可 是不同的是 ，常规介 有 得 到 深 入 地 研 究 。直 到 １ ９ ９ ６ 年 英国的皇家科 质 的Ｅ 、Ｈ ￣ Ｉ ］ Ｋ 之 间 满 足 的 是 右 手 螺 旋 关 系 ， 而 左手介 质 中的Ｅ 、Ｈ 和Ｋ Ｚ 间满 足 的 是 左 手 螺 旋 列 ， 电磁波 射 入 金属 丝 阵列 得到 负 的介 电常 关系。这 也是 为什么人们把 介 电常数和 磁导率 数 。 三 年 之 后 ， 他 又 利 用 开 口 的 金 属 谐 振 环 同时为 负数的介质称 为左手介 质的缘 故。 （ Ｓ Ｒ Ｒ ，Ｓ ｐ ｌ ｉ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ ） ，在 特 定 入射 波 同时 ，多普勒 效应、切伦科夫辐射 、辐射 的 条 件 下又 获 得 了 负 的磁 导 率 。２ ０ ０ ０ 年 ，美 国 压 力、原子 自发辐射效率 、对倏逝波 的作用、 的科学家Ｄ ． Ｒ ． Ｓ ｍ ｉ ｔ ｈ 研 究小组在Ｐ ｅ ｎ ｄ ｒ ｙ 等人研 究 光 子 隧道 效应 等 会 发 生 异常 。 的 基础 上 ， 将 Ｓ Ｒ Ｒ Ｓ Ｎ Ｒ ｏ ｄ ｓ 合 理 地 组 合 起 来 ，首 次 ３ ． 左 手 材 料 的结 构 设 计 得到 了同 时具 有 负的 介 电常数 和 磁 导率 的物 因为至今在 自然 界并没有发现左手 介质， 质 ， 从 此 以 后 ， 越 来 越 多 的 人 投 身 到 左 手 材 料 目前人们在实验 或者工程 中用到的左手介 质样 的研 究 热潮 中 ，左 手材 料 被 “ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ”杂 志 评 品都是人为设计 的，是一种 复合材料 。大 部分 为２ ０ ０ ３ 年度十大科技 突破之一 。尤其 是在最近 都 是在 微波 印刷 电路板上刻蚀 各种各样不 同的 几年来 ，左 手材料 的研 究在理论和应 用上都取 周 期性 的图案 来实现等效左 手特性 的。各个方 得 了 显 著 的 成 绩 。 并 且 逐 渐 改 变 着 我 们 的 生 面 还 远 远 没 有 能 够 达 到 人 们 对 左 手 材 料 的 期 望 活。 并且确实可 以改变人们生产 生活的程度 。在 由 ２ 左 手 材 料 的 基 本 原 理 结 构 决 定 材 料 性 质 方 面 ，左 手 材 料 既有 与 传 统 而 电磁 波要 在 介质 中存在 ，必须 满足 与 材料相 似 的一 面也有截然不 同的一面 。相 似之 介 质的 电磁 常数和 电磁波 参量相关联 的波动方 处 主 要 表 现 在 与 晶 体 的对 比 上 ， 晶 体 是 由 规 则 程 ，Ｈ ｅ ｉ ｍ ｈ ｏ ｌ ｔ ｚ 方程： 分 布 在 空 间 中 的 原 子 或 分 子 组成 的 ，并 且 晶 体
【神奇的左手材料】左手材料
【神奇的左手材料】左手材料左手材料，相信对于大多数人来讲是一个陌生的名词。
左手材料，指的是介电常数（ε）和磁导率（μ）都是负数的材料（物质）。
介电常数和磁导率是用于描述物质电磁性质的基本物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。
在自然界中，所有物质的介电常数（ε）和磁导率（μ）都为正值。
左手材料这种新型材料的非常之处，是其具有一种逆变能力，能使主导着普通材料行为的许多物理特性产生逆变。
左手材料有时也被称为“异向介质”、“负折射系数材料”。
左手材料迄今尚未在自然界中发现，这种材料目前都是由人工制造的。
从1999年开始起到目前为止，左手材料还主要处于实验室研究阶段。
迄今为止，我们在自然界见到的都是右手材料，右手规则一直被认为是物质世界的常规。
但是，在左手材料中，电磁波的电场、磁场和波矢却构成左手关系，这就是这种材料被称为“左手材料”的原因。
另外，根据物理学普遍规律，在一般物质中，电磁波的传播方向和能量传播方向是一致的，但是在这种材料中，电磁波的传播方向将会发生奇特的变化，能量按正常方向传播时，电磁波却向相反的方向传播。
由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数，折射率也是负的，根据电磁学理论，可以推断出它有很多奇异的特性。
手机辐射有望解决目前利用左手材料的性质，已经可以通过人造结构来控制电磁波传播方向，制成定向天线，可以使它只向基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向的传播。
但是目前这项研究仍处于实验室阶段，估计今后，将有可能用于解决备受关注的手机辐射问题。
手机辐射之所以可能对人体产生影响，是因为目前市场上应用的手机天线，都是全方向发射信号，向基站发射信号的同时也向人发射电磁波，对人的辐射无法避免。
而新型的左手材料，通过人造结构来控制电磁波传播方向，用它制成定向天线，可以智能寻找附近的电信信号发射基站，专向基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向的传播，可避免电磁波对手机使用者造成辐射。
左手材料[1][1][1][1].ppt.deflate
8
左手材料应用
1.左手材料的负折射率
9
2.微型天线 2.微型天线
10
11
左手材料——已被列入我国国家自 左手材料——已被列入我国国家自 然科学基金2005年重点项目指南 然科学基金2005年重点项目指南
左手材料的研究已引起我国有关科学界的关注。除上海科 学家以外，香港科技大学、中科院物理研究所、南京大学、 北京大学、西北工业大学等单位均有科学家先行涉足这一 领域的研究。国家自然科学基金委将左手材料和负折射效 应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和 应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和 工程与材料学部联合的“ 工程与材料学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课 题”主题中将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要 主题中将“左手材料相关基础性问题研究” 探索内容之一，在数理部和信息科学部联合的“ 探索内容之一，在数理部和信息科学部联合的“周期和非 周期微结构的新光子学特性”主题中将“ 周期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微 结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究” 结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究” 列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“ 列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“异向 介质理论与应用基础研究”列入2005年重点项目指南，异 介质理论与应用基础研究”列入2005年重点项目指南，异 向介质即是左手材料的另一个名称。
7
左手材料——制造的实现孕育其巨大的应用前 左手材料——制造的实现孕育其巨大的应用前 景
左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。Pendry在2000年就曾 左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。Pendry在2000年就曾 建议制作“超级透镜”(也称“理想棱镜”) 建议制作“超级透镜”(也称“理想棱镜”)以实现左手材料的应用， 这一建议在2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制 这一建议在2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制 造出平板微波透镜。2004年 造出平板微波透镜。2004年2月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学 研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片， 但是他们的技术要求被观察的物体几乎接触到镜片，这一前提使其 在实际应用中难以操作。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出 一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线 在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。两国科学家的研究成果获得 科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最 科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最 具影响的研究进展。 此外，根据左手材料不同凡响的特性，科学家已预言可以应用 于通讯系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的移动电话 或者是容量更大的储存媒体; 或者是容量更大的储存媒体;等效的负折射媒质电路可以有效减少器 件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能。未来，左手材料将会在无 线通信的发展中起到不可忽略的作用。
左手材料应用
1.左手材料的负折射率
9
2.微型天线 2.微型天线
10
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左手材料——已被列入我国国家自 左手材料——已被列入我国国家自 然科学基金2005年重点项目指南 然科学基金2005年重点项目指南
左手材料的研究已引起我国有关科学界的关注。除上海科 学家以外，香港科技大学、中科院物理研究所、南京大学、 北京大学、西北工业大学等单位均有科学家先行涉足这一 领域的研究。国家自然科学基金委将左手材料和负折射效 应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和 应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和 工程与材料学部联合的“ 工程与材料学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课 题”主题中将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要 主题中将“左手材料相关基础性问题研究” 探索内容之一，在数理部和信息科学部联合的“ 探索内容之一，在数理部和信息科学部联合的“周期和非 周期微结构的新光子学特性”主题中将“ 周期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微 结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究” 结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究” 列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“ 列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“异向 介质理论与应用基础研究”列入2005年重点项目指南，异 介质理论与应用基础研究”列入2005年重点项目指南，异 向介质即是左手材料的另一个名称。
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左手材料——制造的实现孕育其巨大的应用前 左手材料——制造的实现孕育其巨大的应用前 景
左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。Pendry在2000年就曾 左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。Pendry在2000年就曾 建议制作“超级透镜”(也称“理想棱镜”) 建议制作“超级透镜”(也称“理想棱镜”)以实现左手材料的应用， 这一建议在2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制 这一建议在2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制 造出平板微波透镜。2004年 造出平板微波透镜。2004年2月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学 研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片， 但是他们的技术要求被观察的物体几乎接触到镜片，这一前提使其 在实际应用中难以操作。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出 一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线 在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。两国科学家的研究成果获得 科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最 科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最 具影响的研究进展。 此外，根据左手材料不同凡响的特性，科学家已预言可以应用 于通讯系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的移动电话 或者是容量更大的储存媒体; 或者是容量更大的储存媒体;等效的负折射媒质电路可以有效减少器 件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能。未来，左手材料将会在无 线通信的发展中起到不可忽略的作用。
左手材料
虽然从坡印亭矢量(S=E×H)定义可知S 不显含μ ，E、H与S仍满足右手关系，但 是S与K反方向，这说明对于左手介质中 传播的平面波，其相速度和群速度方向 相反。
1、负折射现象
如下图所示，设下半空间为正常材料， 上半空间为“左手材料”，介质分界面在 xy平面，入射波、反射波和折射波均在xz 平面（即ky=ky'=ky"=0)。因为在左手材料 介质中，折射波既要满足S"与K"反方向， 又要满足kx=kx",所以折射波和入射波必须 出现在界面法线（沿z轴正方向）的同一侧， 这种现象被称为负折射现象。
反射波
ω ω<效应
逆多普勒效应
4、缺陷效应
光子晶体由于人为的引入缺陷，使得它 具有非常重要的应用价值。同样，左手材 料也可以存在能带结构。与光子晶体不同 的是，左手材料的能带具有选择透过性。 近年来，人们对含有左手物质的一维光子 晶体结构的能带进行了广泛的研究，发现 在这种结构中随着缺陷尺寸的变化，缺陷 模不仅可以存在于这种有缺陷复合材料中 的调制性透射和光学双稳性，其光学双稳 态的应用也引起了研究人员的关注。此外， 具有这样结构的材料可以控制自发辐射场 的传播，这为近场辐射的检测提供了一种 新的方法。
左手材料的应用前景
1、新型微波器件
微波段左手材料可广泛应用于微波器件， 如带通滤波器、延迟线、耦合器、带宽相 移器和超薄谐振腔等。相比于传统材料的 器件，其效率大大提高，同时各种性能也 得到很大改变，且结构装置更紧凑。
2、改善天线性能
利用左手材料理想透镜效应，可以实现 对天线辐射电磁波波束的汇聚，减小天线 的半波瓣宽度，这可以使用天线的方向性 更好，辐射增益更大。左手材料还替代微 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，提高天线辐射效 率。
1、负折射现象
如下图所示，设下半空间为正常材料， 上半空间为“左手材料”，介质分界面在 xy平面，入射波、反射波和折射波均在xz 平面（即ky=ky'=ky"=0)。因为在左手材料 介质中，折射波既要满足S"与K"反方向， 又要满足kx=kx",所以折射波和入射波必须 出现在界面法线（沿z轴正方向）的同一侧， 这种现象被称为负折射现象。
反射波
ω ω<效应
逆多普勒效应
4、缺陷效应
光子晶体由于人为的引入缺陷，使得它 具有非常重要的应用价值。同样，左手材 料也可以存在能带结构。与光子晶体不同 的是，左手材料的能带具有选择透过性。 近年来，人们对含有左手物质的一维光子 晶体结构的能带进行了广泛的研究，发现 在这种结构中随着缺陷尺寸的变化，缺陷 模不仅可以存在于这种有缺陷复合材料中 的调制性透射和光学双稳性，其光学双稳 态的应用也引起了研究人员的关注。此外， 具有这样结构的材料可以控制自发辐射场 的传播，这为近场辐射的检测提供了一种 新的方法。
左手材料的应用前景
1、新型微波器件
微波段左手材料可广泛应用于微波器件， 如带通滤波器、延迟线、耦合器、带宽相 移器和超薄谐振腔等。相比于传统材料的 器件，其效率大大提高，同时各种性能也 得到很大改变，且结构装置更紧凑。
2、改善天线性能
利用左手材料理想透镜效应，可以实现 对天线辐射电磁波波束的汇聚，减小天线 的半波瓣宽度，这可以使用天线的方向性 更好，辐射增益更大。左手材料还替代微 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，提高天线辐射效 率。
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左手材料的人工实现
1. 微波段双负材料的实现
① 金属谐振结构左手材料的实现 目前，对于左手材料人工等效实现的研究，主要集
中在以金属谐振结构为基础的人工等 效实现研究，通 过 SRRs 周期结构形式的改进及研究，完成左手材料的 人工等效实现。
2000 年美国加州大学 San Diego 分校的科学家 D.R.Smith 等采用电路板刻蚀技术制备了铜 SRRs 和铜线 并周期性排列成结构材料，并测量了其微波透射曲线。 大于共振频率ωm 的范围内体系出现负的磁导率。
r为金属线半径； a为晶格常数； co为真空中光速。 因此，调整阵列的晶格常数和金属杆半径可实 现红外、THz波段的负介电响应。 Zhang课题组实现了红外和THz波段的负介电响 应。
负磁导率问题：
采用微结构单元替代磁性材料中的原子和分子 可寸实SR现Rs高按20频比04年磁例T响缩．应小J．。时YP，eenn其等dr采磁y理用响论光应研刻可究蚀扩表技展术明到加当红工单外元波尺 段而制不备能了扩结展构到单可元见为光30µ波m段左。右的铜SRRs阵列，
问题的关键在于：这种物质必须拥有负折射
率多。年到苦当寻时，为没止所能有找已到知满的足物的质材都料拥有，正其折 射率。 猜想也被淡忘。
双负材料的实现关键是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 起来和当比磁ωp较谐>困振ω时难)，，。且可谐以振使的频介段电要常有数重为叠负部值分。，实现
⑤ 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，这些次波和原来粒子的电磁 场互相干涉，从而辐射出电磁场，称为切伦柯夫 辐射。正常材料中，干涉后形成的波面，即等相 面是一个锥面。电磁波能量沿此锥面的法线方向 辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角， 即能量辐射的方向和粒子运动方向夹角θ。θ由 式子cosθ=c/nv确定，其中v是粒子运动的速度。 而在负群速度介质中,能量的传播方向和相速相 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。
1999年，Pendry又 用开口谐振环实现了 磁导率的负值。
介电常数和磁导率 实现了分离的负数。
介电常数和磁导率同时为负的可能性？这也 揭开了双负材料的序幕。
2001年，加州大学SanDiego分校的Smith等物理学 家根据Pendry等人的建议，首次制造出在微波波段具 有负介电常数和负磁导率的物质，证明了负折射材 料的存在。
在由SRR 单元结构组成的周期性阵列中， 若每个SRR 单元结构占据的体积为V，则有磁 化强度
下面我们推导图中 所示的SRR 单元结构中 磁化强度M 与外加磁场强度H 之间的关 系．设入射电磁波的磁场强度为
它垂直穿过图 中的SRR 结构。
式中根：据法拉第电磁感应定律，单元结构的开 口金L属：环为中金产属生环的的感电应感电，动势为
C： 为缺口处引入的电容， R：为金属的电阻， 它们的确定值都可参照文献进行数值求解， 本文只作定性的讨论。
在高频电磁场的作用下，开口金属环的等 效阻抗为
由式( 9) 和式( 12) 可知开口金属环中的感应 电流为
由式( 6) 、式( 7) 、式( 13) 得到开口金属环 组成的单元结构的磁化强度：
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SRRs和铜线，并周期性排列成结构，首 次获得微波段左手材料。他们还设计了劈尖状左手 材料样品，并测量了其微波折射行为。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。
而光频段负磁导率的获得就很困难。自然 界中大多数磁性物质的磁导率均大于零，且磁 响应具有高频截止特性，如铁磁物质在可见光 和红外频段将失去磁性，所以获得THz或更高频 段的磁响应无论对THz光学还是应用都有非常重 大的意义。
通常金属的等离子频率在可见光到紫外光波段， 而周期性排列的金属线阵列能够调整材料的电子密 度，降低其等离子体频率ωp，其有效等离子体频率 可由公式：
对于平面单色波，Maxwell 方程可以化成如下简单形式
在右手介质（ε>0，μ>0）中，由（1）（2）两式知，E、H、k 三者构成右手关系；在左手介质中，因为ε<0，μ<0，E、H、k 成 左手关系。而（3）式不含ε和μ，因此不论是 在左手介质还是在 右手介质中，E、H、S 三者都是右手关系。在右手介质中，S 方向 和 K 方 向相同，而在左手介质中两者相反。K 代表位相传播方向， S 代表能流传播方向即群速度方 向。
使负磁导率效应首次达到了红外波段。
SRRs可以看作由电感和电容组成LC电路，当 SRRs减小到一定尺寸时，其电感L和电容C不再继 续减小，谐振频率趋近于某一定值。即采用金属微 结构理论上不能实现可见光波段磁响应。另外，损 耗也是限制可见光波段磁响应的原因。当结构单元 尺寸与趋肤深度可比较时，其电阻损耗和趋肤深度 问题变得更为突出。
③ 逆多普勒效应
在右手材料中，当波源和观察者之间的距 离增加时，比如反射面相对于波源后退时， 观 察到的反射波的频率会减小，这就是多普 勒效应。
但在左手材料内，电磁波的相速度和群速 度方向相反， 即能量的传播方向和相位传播 方向相反， 所以在左手材料中的频移情况正 好和 右手材料相反，观察者接受到的反射波 的频率会增加，这种现象为逆多普勒效应。
⑥ 反 Goos-Hanchen位移
光波从光密媒质入射到光疏媒质，当入射角为：
将会发生全反射。全反射光束在介质的分界面上将 沿入射光波波矢量的平行分量发生侧向位移，该位 移由 Goos 和 Hanchen 首次发现，因此命名为 Goos-Hanchen 位移。
如果介质 2 为 左手材料，|n2|<n1 时也会发 生全反射，此时的反射光束同样在界面上发生侧向 位移，但是 位移的方向和入射波波矢量的平行分量 反向，这主要是因为左手材料的负相速的缘故，该 现 象被称为反 Goos-Hanchen 位移。
2002年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大 学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一 种基于周期性LC网络的实现左手材料的新方法。 目前基于LC网络的左手材料的研究在理论和实验 上都有很大进展。研究还表明LC左手材料在微波 电路、天线等方面的应用中具有很大的优势。
在2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授也从理论 上证明了“左手”材料存在的合理性，他称之为“导 向介质”。
2003年美国ParazzoliCG等人及Houcl等人同时分别 进行了一系列成功的实验工作，样品实验的数据 和模拟计算非常吻合，都晰而显着地展示出负折 射现象；且在不同入射角下测量到的负折射率是 一致的，完全符合Snell定律，证实了左手材料的 存在。
双负材料的性质？
① 电磁性质：左手材料是一种相速度和群速度方向相 反的物质；同时，左手介质必然是色散介 质。
双负材料的应用前景：
① 制作高分辨率的显微镜镜片。
传统的光学镜头不能将光线聚焦到小于光线 波长2的00尺4年寸2。月，俄罗斯莫斯科理论和应用电磁 学研左究手所材的料物制理作学的家“宣超布级他透们镜研”制：成功一种具 有超同一级年方分，面辩加，率拿可的大实镜多现片伦平。多板大聚学焦的，科无学需家制制成造曲出面； 一种另左一手方镜面片，。可将光线聚焦到光线波长以下， 甚至两可国以科检学测家单的个研物究质成分果子获；得科学界的高度 赞赏还，能被放美大国消物逝理波学，会将评二为维20像04年点度的国所际有物傅理立 学叶会分最量具全影部响聚的焦研，究实成现果“。理想成像”；
SRR 单元结构的相对等效磁导率，与理论分析完 全一致。
2. 红外及可见光波段左手材料
光频段负介电常数和负磁导率的实现是光 频段LHMs（left hand materials）实现的前提。
其中，负介电常数的实现相对比较容易， 因任何一种金属当电磁波的频率低于其等离子 体谐振频率时，介电常数均为负。
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， 可实现负ε；
ε（ω）=1- ω2p/ω2
其中，
ω p 是等离子震荡的本征频率，
当ω0<ω<ωb时 ， µ<0。
1996年，Pendry在理 论上用金属线周期结构 实现了介电常数的负值。
② 负折射现象
当波通过两介质之间的界面时,如图所示。一边 的磁导率μ1 和电导率ε1 均大于 0,另 一边的磁导率 μ2 和电导率ε2 均小于 0。
设对 2 种媒介使用 Maxwell 方程都将被满足, 则有边界条件:
可见,E 和 H 沿法线分量 En2 和 Hn2 的正负号,在 ε2/ε1<0，μ2/μ1<0 时将和ε2/ε1>0， μ2/μ1>0 时符号 的相对,那么,和ε2/ε1>0，μ2/μ1>0 的情况相对，在左 手材料中折射光 线将关于 z 轴对称传播。
右图为开口谐振环结构， 它是在电介质材料中周期性 放置的带有缺口的金属环。
将其看成理想模型：表面 上分别定义理想电壁对、理 想磁壁对和波端口。
入射电磁波的磁场垂直穿过金属环，电场穿过金属 环的缺口，入射电磁波的波长远大于单元结构的尺度， 并将单元结构视为均匀介质。
主要考虑电磁场与金属环的相互作用而引起的相对 磁导率的变化情况，忽略基质材料的影响。
双负材料
2013.10
双负材料：
介电常数ε和磁导率µ同时为负值的材料称为 双负材料。
通常的材料，其中的电场、磁场和电磁波传 播常数三者之间呈右手螺旋关系。而在双负材料 介质中，三者之间构成 左手螺旋关系，故又称为 左手材料。
大约在40 年前，前苏联科学家维克托· 韦 谢 学世拉界戈的（物V那料ic质t呢么o：r ？是V它e否s能e有la使g负o光）折波设射看想率起了的来一材如种同能倒够流颠一覆样光； 而且在许多方面表现得有违常理，具有不可思议 的特性。