负折射率超材料
折射率对于一定频率范围内的电磁波是负值的材料
负折射率超材料或负折射率材料（NIM）是一种人造光学结构，它的折射率对于一定频率范围内的电磁波是负值。目前没有任何天然材料拥有这一属性。广义地说，超材料可以指任何合成材料，但一般上指的是拥有负折射率的一类材料，这些材料具有不寻常的光学属性和奇异的性质。[1]负折射率超材料由基本结构单元周期性排列构成，基本结构单元称为单胞，单胞的大小明显小于光的波长。单胞在实验室最早由印刷电路板材料制成，即由导线和电介质制成。通常情况下，这些人工制备的单胞按特定的重复形式堆叠或在平面上排列起来，组成单个的超材料。
负折射率超材料的单胞对光的响应是在构筑材料之前预先设计好的，材料总的对光的响应主要由单胞的几何形状决定，行为与其组分对光的响应有着根本的不同。超材料是“从下到上合成的有序宏观材料”，具有其组分所不具有的涌现性质。[2]
负折射率超材料与以下术语为同义语：左手材料或左手介质(LHM)、后向波(BW)介质、双负性(DNG)材料超材料等 [1]。
性质
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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
负折射率超材料由俄罗斯理论物理学家维克托·韦谢拉戈于1967年在理论上首次提出[5]。当时，这种材料被称为“左手材料”或“负折射率”材料，其光学性质与玻璃、空气等透明物质的性质相反，光在这种材料中的弯曲和折射行为不同寻常，出人意料，背离人类的直觉。然而，直到33年后，第一个实用的超材料才被制造出来。[1][5][6]
负折射率超材料用于以新的方式控制电磁波。比如，天然物质的光学和电磁性质通过化学来改变，而超材料通过单胞的几何排列来控制电磁性质。单胞有序排列的线度小于电磁波的某一波长。人工的单胞对波源的电磁辐射有响应。超材料对电磁波的总的响应比通常材料更宽广。[1][6]
通过改变单胞的形状、大小和构型，可以改变材料的电容率和磁导率，由此控制电磁波的传输。电容率和磁导率这两个参数决定了电磁波在物质中的波的传播。调控这两个参数可以使材料的折射率为负值或零，而通常的材料的折射率为正值。超材料的性质依赖于人的预先设计，其光学性质是透镜、平面镜和常规材料所不及。[1][5][6]
反向传播
在负折射率超材料中，电磁波可以反向传播，这使得衍射极限下分辨成像成为可能，此即为亚波长成像。
材料
第一个实用的超材料工作于微波波段。外形上，它像一个个水晶宫格子，格子的间距小于微波波长。
光频带
应用
负折射率材料在传统领域中的应用如无线电，电磁波接收系统等，用于制作超材料天线。其他方面的应用正在研究中，如电磁波，微波吸收装置、小型谐振腔、波导管、相位补偿器、微波透镜等等。它们借由超材料的性质可以不受衍射效应的限制。 [7][8][9][10]
在可见光范围，超材料制成的透镜可以避开衍射效应的限制，用来研发毫微光刻技术来制备纳米电路。这会在生物医学以及亚波长影印技术方面大展宏图。 [10]
负的介电常数和磁导率
复合材料的频带
左手材料的描述
各向同性与负参数
负折射率的实验验证
NIM的基本的电磁特性
左手材料的负折射率
对可见光的影响
负折射率材料的影响
当导磁率μ= 1时，负折射率材料会导致电动力学方程计算结果的改变。当μ的值大于1时，会影响到包括斯涅尔定律、多普勒效应、切伦科夫辐射、菲涅耳方程以及费马原理。 [11]
由于折射率是光学中的一个中心概念，改变折射率会重新认识、定义一些光学定律[10]。
反常色散现象
高斯光脉冲在通过反常色散介质时会出现反常色散现象（随着波长增加，折射率增加，可能导致群速度大于光速的情况被称作反常色散现象）[12][13]。但信息的传递速度总是被限制在光速以下[12][14]。
学术研究
超材料是美国政府广泛研究的领域，包括美国空军，美国军队，以及美国海军航空系统司令部。同时，众多的院校也在研究这一课题。
参见
参考
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拓展阅读
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外部链接
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