一款新的電磁材料——電磁超材料

大家好，這里是射頻學堂。今天我們一起來學習一款新的電磁材料——電磁超材料。

超材料的英文名字叫做Metamaterial，詞根 Meta 就是超出，另類的意思，和 material 組合起來就是 超材料了。一般文獻中給出人工電磁材料的定義是“具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料?！彪姶懦牧?，就是具有反常規(guī)材料的特性的人工材料，比如負的介電常數(shù)，負磁導率等等，電磁超材料是以人造單元結構以特定方式排列形成的具有特殊電磁特性的人工結構材料。

如下圖所示：

電磁超材料具有自然界中原有材料所不具備的獨特性質，其中出現(xiàn)了許多全新的物理現(xiàn)象。目前關于電磁超材料的物理特性研究，及其在定向輻射高性能天線、電磁隱身、空間通信、探測技術和新型太赫茲波段功能器件等領域的應用研究開始成為國際物理學和電磁學界的研究熱點。

超材料的發(fā)展

電磁超材料最早可以追溯到1967年，前蘇聯(lián)物理學家Victor G. Veselago在理論上提出磁導率和介電常數(shù)同時為負的媒質存在，即為左手材料，這一發(fā)現(xiàn)被人們認為是電磁超材料的原型。

由于缺乏實驗，此理論猜想一直沒被關注，直到1996年和1999年J. Pendry等人先后提出實現(xiàn)左右材料的兩個關鍵要素：用細金屬線陣列來實現(xiàn)介電常數(shù)為負，用開口諧振環(huán)陣列來實現(xiàn)負的磁導率。

在2000年，美國的Rodger Walser教授在美國物理學會春季年會上提出“metamaterial”概念，而“meta”在拉丁語中代表“超越”含義，所以被翻譯為超材料，這就是電磁超材料名稱的由來。隨后2001年，美國D. R. Smith教授根據(jù)Pendry提出的理論模型在《科學》雜志上發(fā)表了左手材料存在的論文，通過棱鏡實驗驗證了這種人工材料具有負折射率特性。

2002年底，麻省理工學院的孔金甌教授也從理論上證明了“左手”材料存在的合理性，并稱之為“導向介質”，他預言了這種人工材料在高指向性的天線、聚焦微波波束、“完美透鏡”、電磁波隱身等方面的應用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大學的科研小組設計、制造了著名的“隱身大衣”，并成功地進行了實驗證明。2009年又出現(xiàn)了寬頻帶的隱身衣。2010年科學家發(fā)現(xiàn)了電磁黑洞。

超材料的分類

超材料是一種人工復合材料，也就是這種材料史人造的，自然界中不存在的一種材料，超材料具備這三個特征：具有特殊人工結構，具有特有的物理特性，并且這種物理特性不取決于材料的本質特性而取決于所組成的人工結構。

電磁超材料最初的定義是具有負折射率的材料，也叫做左手材料，即電磁波在左手材料中傳播時，電場，磁場和坡印廷矢量呈左手關系，而不是普通介質中的右手關系。最初由Victor G. Veselago 教授提出，并預言了這種材料的特殊電磁特性，如負折射特性，逆Cherenkov特性，逆多普勒特性等，這些特性在后面的實驗中一一得到驗證。

從俠義上來說，根據(jù)超材料的等效媒質特性的不同，可以將分為以下幾類：① 具有負介電常數(shù)或者負磁導率，從而具有負的折射率，也就是左手材料；②具有零介電常數(shù)或者零磁導率，也就是零折射率材料；③，具有很大的介電常數(shù)或者很大的磁導率等等。

按照超材料的構成結構不同可以分為：傳輸線型超材料，波導型超材料，石墨烯型超材料和塊型超材料等。

按照工作方式不同可以分為諧振型超材料和非諧振型超材料。諧振型超材料一般工作在諧振頻率附近，工作頻帶比較窄，損耗也比較大；非諧振型遠離諧振頻率，工作頻帶比較寬，損耗也較小，但是參數(shù)變化范圍也小。

超材料的應用

超材料的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現(xiàn)出革命性的應用前景得到了世界各國政府、科技界、產(chǎn)業(yè)界，以及國防部門的密切關注。美國國防部啟動了關于超材料的多項研究計劃，美國大型的半導體公司如英特爾、美國超威半導體（AMD）和國際商業(yè)機器公司（IBM）等也成立了聯(lián)合基金資助相關研究。歐盟組織了 50 多位頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，并給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持至少兩個關于超材料技術的研究項目，每個項目的研究經(jīng)費約為 30 億日元。超材料的研究和工程化應用在近年來得到了迅速發(fā)展。在電磁超材料方面，科學家對各種電磁諧振結構進行了優(yōu)化，發(fā)展出了多種基于金屬線和 SRR環(huán)的衍生結構以及介質結構的人工原子，并設計研制出了隱身斗篷、完美透鏡等新型超材料器件；與此同時，將微納加工技術引入到了超材料的制備，發(fā)展出了可在光學頻段下工作的各種超材料和器件。近年來，超材料也從電磁領域逐漸走向了力學、聲學、熱學以及傳質等領域，一系列具有超常性質和奇異功能的新型超材料相繼問世。

移動通信中會不會用到這個電磁超材料呢？要不要研究起來，下面是幾本不錯的參考書，有沒大家覺得比較好的，推薦給我啊。

審核編輯 ：李倩