具有负折射率的三维软声学超材料

零折射率超材料

一类折射率为零的超材料由于材料的独特特性而迅速引起了科学家的兴趣，

在哈佛大学领导一个研究超材料的研究小组解释说，这种材料在用光照射时会以

一种特殊的方式表现。例如，指向平面平板的光只有在其入射角恰好为90度时

才能通过。

光线会在材料中产生响应，因此与入射电磁场相结合，材料中的场在整个材

料中具有相同的相位——就像电影中马车的轮子由于相互作用而出现静止状态

一样旋转的频率和电影的频率,空间中的这种完全相干性导致光具有无限波长和

无限相速度。由于光的相位在所有超材料中都是相同的，看起来正弦场的波长被

拉伸到无穷大，并且相位瞬间传播。这两个特性允许在光学芯片上非常小的可用

空间内以前所未有的方式控制光；它可以通过极其狭窄的通道或波导，绕过尖角

而不会损失能量。

在芯片上制造这种超材料可以与其他纳米制造技术集成以进行片上光操纵。

研究团队合作者创建了一个超材料层，该层由嵌入聚合物基质中的硅柱组成，两

面都覆盖有金膜，沉积在硅基板上。这种零折射率超材料层可以填补工程师在通

往未来光子芯片的道路上可能面临的许多坑洼，研发道路上的障碍之一是将光耦

合到光学芯片上的小结构中——小于光的衍射极限，该团队设计了“超级耦合器”

的概念，其中光通过可以处理小尺寸和锐角的零折射率材料传输，这将减小光学

连接的尺寸，并消除传输中的损耗。如果我们将零折射率超材料放入由镜子制

成的波导中，无论波导的长度、挤压、形状、扭曲或弯曲如何，我们都可以实现

高效传输，这些是无法通过使用常规波导在微波和光学系统中实现的现象，”。

第二个应用是非线性光学中的相位匹配，这是研究由与光强度不成比例的光

引起的物质现象,光学处理将需要单独的光束彼此相互作用，只有当出射光子的

动量与入射光子的动量相匹配时，两束光束只能通过非线性过程相互作用。零折

射率材料使这变得特别容易，因为零折射率材料中光的动量矢量为零，这放松了

对纳米级非线性光学过程的一些限制。光学量子计算机中的应用可能很有前景，

超材料

超材料——过去十年中人类最重大的十项科技突破之一

狭义上超材料即指电磁超材料,电磁超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性,能够实现对电磁波传播的人为设计、任意控制。目前该材料被应用在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等方面。

看好电磁超材料在军工、通信和智能结构等方面的应用前景

电磁超材料在军工领域的应用比较广泛,目前已应用的超材料产品包括超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通讯天线、无人机雷达、声学隐身技术等。

通信领域电磁超材料最具应用前景的就是无线Wi-fi网络,目前光启已进入该领域。

电磁超材料在智能结构中的应用主要有两类:地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。智能结构用电磁超材料的市场前景非常广阔

A股超材料主题相关上市公司主要包括:国民技术(300077)、龙生股份(002625)、鹏博士(600804)和鹏欣资源(600490)等,建议重点关注国民技术、鹏博士和鹏欣资源。

超材料

“Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、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，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。

迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国《科学》杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。

1原理

超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。

负质量密度声学超材料的反常多普勒效应

刘松;罗春荣;翟世龙;陈怀军;赵晓鹏

【摘要】It is always an issue for researchers to control the propagation of

sound wave at will.A kind of acoustic metamaterial built with artificial

microunits attracts the attention of researchers,because it possesses many

unique properties that cannot be realized by natural materials,such as

negative refractive index,slab focusing,and cloak.The Doppler effect leads

to the frequency change of a wave because of the relative motion between

the observer and the source.In 1968,Veselago [Veselago V G 1968 Soviet

Physics Uspekhi 10 509] theoretically proposed that a metamaterial with a

negative refraction can result in an inverse Doppler effect.The investigation

of inverse Doppler effect has been developed with the improvement of

metamaterials.However,the design methods of these metamaterials

超材料的基本原理及应用前景

超材料是利用人工制造的材料特性来控制和调整电磁波的传播，使其具有一些非常有趣的特性，例如负折射率、负折射率、超透明度、超吸波性等。这是因为超材料结构的周期性使其具有类似晶体的衍射和干涉效应。

超材料和超透镜技术的诞生，标志着人类的纳米科技迈向了一个新的里程碑。随着人类对纳米科学研究的不断深入，超材料的研究和应用也越来越受到人们的关注。超材料在光学、声学、电磁、力学等领域有广泛的应用前景。

一、超材料的基本原理

超材料一个非常基本的原理是负折射率，负折射率可以实现光的反向传播，这是普通材料所不具备的特性。要实现负折射率可以使用金属或其他导电材料制成的纳米结构，在特定的频率范围内，金属中的电子会和电磁波发生相互作用，使光和电子的相位变化是相反的。

超材料的另一个主要特性是超透明度，超透明度的原理是让电磁波在超材料内部形成多重干涉，以致于在某些频段内，电磁波无法被材料所吸收，而是被重新辐射出去。

二、超材料在光学方面的应用

超透镜是超材料在光学领域的一项应用。超透镜可以在纳米尺度上捕获图像，并且比普通的透镜有更高的分辨率和更短的焦距。超透镜技术可以在医疗、生物技术等领域中实现更清晰和更高分辨率的成像。

另一个光学中的应用是超聚焦，超聚焦是一种利用超材料波动性和相干性的技术，其原理是将光线与物体表面的结构相互作用，以产生比传统透镜更细的聚焦点。

三、超材料在声学方面的应用

超材料在声学方面的应用与其在光学中的应用类似。根据材料的声折射率可将声波向后折射数倍，这样的超材料在障碍物声波成像和测量等方面有重要的应用。此外，超材料还可以用于实现声波耳塞、降噪等应用。

四、超材料在电磁方面的应用

超材料在电磁方面的应用是最为广泛和成熟的。超材料可以用于制造隐身材料和吸波材料，有效地控制和消除电磁波。隐身材料和超吸波性在电磁干扰、军事和电磁信息保护等方面有重要的应用前景。

此外，超材料还可以用于制造高效的太阳能电池，通过控制光的传播来提高太阳能电池的转化效率，并且可以用于制造散热材料，降低电子设备热量的损失。

星形负泊松比超材料

星形负泊松比超材料是一种具有特殊机械性质的材料。通常，材料在受到外力时会发生变形，而泊松比则用于描述材料在受到压缩力时的横向收缩程度。正常情况下，材料的泊松比为正值，即在受到压缩力时会出现横向收缩。

然而，星形负泊松比超材料具有特殊的机械性质，其泊松比为负值。这意味着当星形负泊松比超材料受到压缩力时，它的横向尺寸会增加，而不是收缩。这种特殊的性质使得星形负泊松比超材料在一些应用中具有独特的优势。

星形负泊松比超材料的负泊松比性质通常是通过特殊的材料结构或微观结构设计实现的。这些设计可以导致材料在受到压缩力时发生非常规的变形，从而实现负泊松比的效应。

星形负泊松比超材料的应用潜力非常广泛。例如，在医学领域中，星形负泊松比超材料可以用于制造人工骨骼或关节，以提供更好的生物相容性和机械性能。在工程领域中，星形负泊松比超材料可以用于制造新型的隔振材料或减震材料，以提高结构的抗震性能。此外，星形负泊松比超材料还可以应用于声学和光学领域，用于制造具有特殊声学或光学性质的材料。

总的来说，星形负泊松比超材料是一种具有特殊机械性质的材料，其负泊松比性质使其在各种领域具有广泛的应用潜力。

超颖材料

“超材料（metamaterials）”：超越天然材料的自然极限

摘要

“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然

材料所不具备的超常物理性质的复合材料。从本质上讲，metamaterial更是一

种新颖的材料设计思想，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破

某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。迄今发展出的“超材料”

包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。超材料的设计思想昭示人们

可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然

不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天

地。

关键词：超材料，材料设计，左手材料，光子晶体

1、 “超材料（metamaterials）”的基本定义

“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经

常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、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，各种

不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具

有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。在互联网上

颇有影响的维基百科（Wikipedia）上，对metamaterial一词是这样解释的：

In electromagnetism (covering areas like optics and photonics),

a meta material (or metamaterial) is an object that gains its

(electromagnetic) material properties from its structure rather than

inheriting them directly from the materials it is composed of. This

超构材料与超构表面的名词解释

超构材料与超构表面

一、超构材料的定义和基本概念

超构材料（metamaterial）是一种具有特殊结构和性质的人工合成材料，其具有常规材料所不具备的特殊功能和性能。超构材料通过设计和控制其微观结构，能够实现对电磁波、声波、光波等物理波的传播和相互作用进行精确调控。

超构材料的设计和制备依赖于人工合成的微观结构，这些结构通常由周期性排列的单元组成。这些单元可以是金属、陶瓷、聚合物等不同种类的物质，通过精确控制单元之间的尺寸、形状、排列方式等参数，可以实现对电磁波或其他物理波进行特定调控。

二、超构材料的特点与应用领域

1. 负折射：超构材料可以实现负折射现象，即光线在进入超构材料后会被偏折到与入射方向相反的方向。这一特性可以用于制造透镜、聚焦器等光学器件，在光学通信、成像等领域具有广泛应用。

2. 超透镜：超构材料可以实现超透镜效应，即将细微的细节放大到可见范围。这一特性在纳米电子学、生物医学等领域具有重要应用价值。

3. 负折射率：超构材料可以实现负折射率，即在特定频率范围内，电磁波在超构材料中传播的速度比真空中的速度还要快。这一特性对于微波通信、雷达技术等有重要应用。

4. 隐身技术：超构材料可以通过调控电磁波的传播和散射行为，实现对物体的隐身效果。这一特性在军事领域具有重要意义。

5. 声学调控：超构材料在声学领域也有广泛应用。通过设计和制备特殊结构的超构材料，可以实现对声波的传播和散射进行精确调控，从而改善声学设备的性能。

三、超构表面的定义和基本概念

超构表面（metasurface）是一种具有人工合成结构的二维表面，其微观结构的周期性和形状被精确设计和控制，以实现对电磁波的传播和散射进行精确调控。

超构表面通常由周期性排列的微观单元组成，这些单元可以是金属、介质等材料。通过调整单元之间的间距、尺寸、形状等参数，可以实现对电磁波的相位、振幅等特性进行精确调控。四、超构表面的特点与应用领域

负折射率材料

现代科技革命与马克思主义课程报告

1 超颖材料（Metamaterials）的发展

李雄 SC08009037 机密机械与精密仪器系

本人博士阶段的课题方向为超颖材料（Metamaterials）的设计与应用。Metamaterials这一概念在提出之初，通常指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质)，因此它又称负折射率材料、左手材料或双负材料，这在自然界中并不存在。然而随着这一新兴领域的发展，其研究范围被不断扩展，目前，它的范围已包含负折射率材料，单负材料（人工复介电常数材料(ε)和人工复磁导率材料），人工超低折射率材料和超高折射率材料等等。Metamaterials是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，正因为其具有自然界物质不存在的奇异特性，因而受到广泛关注，并已在其相关的几个实际应用领域显示出了巨大的应用前景。

1、 Metamaterials的发展概述

拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、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，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。

从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征：

（1）metamaterials通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）metamaterials具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）metamaterials性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

尽管metamaterials的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。

1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，现代科技革命与马克思主义课程报告

负折射率材料特点及其应用概述

负折射率材料的特点及其应用

背景

自然界存在的介质都是折射率大于0的，我们常接触的材料的折射率多数都是大于1，在定性思维的误区下，人们认为介质的折射率都为正。

直到1968年，苏联物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）【1】提出了负折射率的理论。由于韦谢拉戈的这一设想完全颠覆了人们所认知的光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，在许多现象描述上完全背离常规，所以在相当长的时间内都不被人们认可，这种荒诞的想法没有必要去研究证明。

Veselago为了证明自己的观点开始苦苦寻求满足要求的物质，但是他失败了。没有充足的证据证明他的猜想，渐渐地就被人们淡忘了。

19966年~1999年，英国的Pendry从理论上提出了一种由开路谐振金属环构成，具有等效的负介电常数和负磁导率的三维周期结构，【2】~【3】这一发现理论上证明了负折射率材料的可存在性，使Veselago的猜想重新摆在了人们面前。

不久，美国的Smith等在2000年金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质，从实验上验证了负折射率的存在。【4】~【5】他们研制出了相应的器件，负折射率材料由此进入了实质性研究的阶段。

2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。【6】

图1. 负折射率的超材料

近年来，负折射率材料的研究愈发成为科学界的热点，这要应用于军事、航天等高端领域，起因了国内外众多研究者的注意，涉及电磁波、光电子学、材料学等方面。随着对负折射率材料的研究，又掀起了一阵对新兴领域的发展，即超颖材料（Metamaterials）。超颖材料不只包含负折射率材料，也包含单负材料，人工超低折射率材料和超高折射率材料等。【7】

正如折射率材料的提出一样，超颖材料的重要意义不仅体现在所研制出的几种人工材料，也体现在了一种全新的思维方法。为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间。

声学超材料

摘要

声学超材料是人们在过去数年中进行了广泛调查的人工设计材料，主要是因为它们很有应用前景，而且在自然界中几乎很难或者不可能发现，因此，它们为改善甚至投入全新的应用打开了一扇门。我们的目标是，突破由这其中某些材料具有的谐振机制决定的有限的频率工作范围。此外，我们想声学超材料被试验证实进而被用于构建设备，因为它们的整体表现都优于先前的一些在文献中报道的材料。

这里，介绍了大体上所需要的超材料，主要以声学超材料为主，另外，也对电磁超材料和声学超材料的相似之处以及声超材料的前身——声子晶体做了很初浅的介绍。

最后，引用了杜克大学最近研究者在实验条件下对声超材料的设计和应用。例如一个二维宽带声学超材料(该材料具有明显的各向异性的有效质量密度)。我们用这种超材料实现了在空气中折射率渐变的二维声透镜。此外，他们还通过改善各单元元件的性能优化了该透镜的设计，实现了在空气的二维声地斗篷。还有，他们利用目前可得到的声学超材料探索了一些新颖的应用(例如二维声学黑洞和三维声斗篷)。

一，绪言

人们已经通过数百年的尝试来探究并最终控制了材料的行为，科学家投入了大量的精力和知识来确定学或物理模型和方程，解释材料是如何工作的。

无论谈到工程、光学以及计算机技术，应用科学从零开始的所有进步都是由于所用材料的改进。还有，数千年来，科学家们使用了相同的经典的方法:从元素周期表中给出的元素，找到一个更好的配方和适当的技术开发出性能更好的材料。科学家一直使用这种方法不是因为他们缺乏想象力，而是他们需要一个能够同材料宏观特性相吻合切实可行的方法来得到一个明显的结果。然而，我们离可以成功合成化合物很远。另一方面，沿着这条道路尽管获得了巨大的成果，但是它的局限性迫使一些科学家来寻找其他可能的方法。代替原子使用一系列宏观结构周期性地排列在空间以至于让这种新的东西表现的如同连续媒质一样，这可能吗,这种新的材料会不会有天然不存存在的一些属性,问题的答案是肯定的，这就是文献正出现的新名词:超材料。这个新领域有希望通过使用人造元素来创造具有新特性的新材料[1]。