左手材料歷史及前景分析

　　左手材料”是指一種介電常數(shù)和磁導率同時為負值的材料。電磁波在其傳播時，波矢k、電場E和磁場H之間的關(guān)系符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。它具有負相速度、負折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等奇異的物理性質(zhì)。“左手材料”顛倒了物理學的“右手規(guī)律”，而后者描述的是電場與磁場之間的關(guān)系及其波動的方向。

　　左手材料——源于上世紀60年代科學家的假想

　　本世紀以來，一種被稱為“左手材料”的人工復合材料在固體物理、材料科學、光學和應用電磁學領(lǐng)域內(nèi)開始獲得愈來愈廣泛的青睞，對其的研究正呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢，而它的出現(xiàn)卻是源于上世紀60年代前蘇聯(lián)科學家的假想。

　　物理學中，介電常數(shù)ε和磁導率μ是描述均勻媒質(zhì)中電磁場性質(zhì)的最基本的兩個物理量。在已知的物質(zhì)世界中，對于電介質(zhì)而言，介電常數(shù)ε和磁導率μ都為正值，電場、磁場和波矢三者構(gòu)成右手關(guān)系,這樣的物質(zhì)被稱為右手材料(right-handed materials,RHM)。這種右手規(guī)則一直以來被認為是物質(zhì)世界的常規(guī)，但這一常規(guī)卻在上世紀60年代開始遭遇顛覆性的挑戰(zhàn)。1967年，前蘇聯(lián)物理學家Veselago在前蘇聯(lián)一個學術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文，首次報道了他在理論研究中對物質(zhì)電磁學性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即：當ε和μ都為負值時，電場、磁場和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系。他稱這種假想的物質(zhì)為左手材料(left-handed materials,LHM)，同時指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負折射、負的切連科夫效應、反多普勒效應等等。這篇論文引起了一位英國人的關(guān)注，1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個前蘇聯(lián)物理類學術(shù)刊物上。但幾乎無人意識到，材料世界從此翻開新的一頁。

　　由于左手材料的顯著特點是它的介電常數(shù)和磁導率都是負數(shù)，所以有人也稱之為“雙負介質(zhì)(材料)”，通常也被稱為“負折射系數(shù)材料”，或簡稱“負材料”。

　　左手材料——本世紀初的突破引發(fā)人們無限遐想

　　左手材料的研究發(fā)展并不一帆風順。在這一具有顛覆性的概念被提出后的三十年里，盡管它有很多新奇的性質(zhì)，但由于只是停留在理論上，而在自然界中并未發(fā)現(xiàn)實際的左手材料，所以，這一怪誕的假設(shè)并沒有立刻被人接受，而是處于幾乎無人理睬的境地，直到時光將近本世紀時才開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機。原因在于英國科學家Pendry等人在1998~1999年提出了一種巧妙的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)負的介電系數(shù)與負的磁導率，從此以后，人們開始對這種材料投入了越來越多的興趣。2001年的突破，使左手材料的研究在世界上漸漸呈現(xiàn)旋風之勢。

　　2001年，美國加州大學San Diego分校的David Smith等物理學家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復合材料首次制造出在微波波段具有負介電常數(shù)、負磁導率的物質(zhì)，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，微波以負角度偏轉(zhuǎn)，從而證明了左手材料的存在。

　　2002年7月，瑞士ETHZ實驗室的科學家們宣布制造出三維的左手材料，這將可能對電子通訊業(yè)產(chǎn)生重大影響，相關(guān)研究成果也發(fā)表在當月的美國《應用物理快報》上。

　　2002年底，麻省理工學院孔金甌教授從理論上證明了左手材料存在的合理性，并稱這種人工介質(zhì)可用來制造高指向性的天線、聚焦微波波束、實現(xiàn)“完美透鏡”、用于電磁波隱身等等。左手材料的前景開始引發(fā)學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界尤其是軍方的無限遐想。

　　2003年是左手材料研究獲得多項突破的一年。美國西雅圖 Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 與加拿大University of Toronto電機系的G. Eleftheriades所領(lǐng)導的兩組研究人員在實驗中直接觀測到了負折射定律;Iowa State University的S. Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子晶體做為介質(zhì)的左手物質(zhì)理論仿真結(jié)果;美國麻省理工學院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》雜志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負折射現(xiàn)象的實驗結(jié)果。基于科學家們的多項發(fā)現(xiàn)，左手材料的研制赫然進入了美國《科學》雜志評出的2003年度全球十大科學進展，引起全球矚目。

　　2003年，哈爾濱工業(yè)大學吳群教授帶領(lǐng)的課題組全面開展了左手材料的相關(guān)研究工作。截至目前，在左手材料領(lǐng)域，共承擔國家自然科學基金項目4項，國家973項目子課題2項;在國際、國內(nèi)一流學術(shù)期刊上發(fā)表SCI檢索論文57篇，EI檢索論文103篇，在國際、國內(nèi)學術(shù)會議上獲優(yōu)秀論文獎4次，特邀報告4次;受國防科技出版基金資助出版學術(shù)專著1部;已授權(quán)發(fā)明專利2項。主要研究方向涵蓋了四大方面：“左手材料激發(fā)機理分析與電磁特性分析”、“性能優(yōu)良的左手材料構(gòu)造與驗證”、“左手材料在新型微波器件中的應用”和“基于左手材料的隱身技術(shù)”。

　　2004年，國際學術(shù)界開始出現(xiàn)上?？茖W家的身影?！?73”光子晶體項目首席科學家、復旦大學的資劍教授領(lǐng)導的研究小組經(jīng)過兩年的研究與巧妙設(shè)計，利用水的表面波散射成功實現(xiàn)了左手介質(zhì)超平面成像實驗，論文發(fā)表于著名的《美國物理評論》雜志上，即刻引起學術(shù)界的高度關(guān)注，被推薦作為《自然》雜志焦點新聞之一。同濟大學波耳固體物理研究所以陳鴻教授為首的研究小組從2001年開始對左手材料展開研究，經(jīng)過兩年的研究，在基礎(chǔ)理論和材料的制備與表征方面取得了重大進展，成果在國際物理學著名刊物上發(fā)表，2004年在國際微波與毫米波技術(shù)大會上作大會報告，并將在2005年日本召開的國際微波與光學技術(shù)研討會上作邀請報告。

　　2009年初，美國杜克大學和中國東南大學合作，最近成功研制出微波段新型“隱形衣”，這一研究成果發(fā)表在年初出版的《科學》雜志上。 作為東南大學毫米波國家重點實驗室副主任，崔鐵軍教授在計算電磁學和新型人工電磁材料等領(lǐng)域做出了很多原創(chuàng)性的研究成果。崔鐵軍教授課題組和杜克大學史密斯教授課題組于2006年開始合作，在新型人工電磁材料的理論分析、設(shè)計、實驗和應用上取得了一系列成果，為新型“隱形衣”的研制打下了堅實基礎(chǔ)。

　　2009年11月，東南大學毫米波國家重點實驗室以崔鐵軍和程強為首的研究團隊成功地制作出人造電磁學收集器，在微波環(huán)境中，它能夠像宇宙中的“黑洞”一樣去吸收環(huán)境中的微波。該成果引起了世界科技界的高度關(guān)注，10月15日，《自然》網(wǎng)站也以“科學家研制出可攜帶黑洞”為題介紹了這項研究成果。

　　左手材料在本世紀初已迅速成為科學界的研究熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，在國際主要學術(shù)刊物上，2000年與2001年所發(fā)表的關(guān)于左手征材料的研究論文數(shù)量分別是13篇與17篇，2002年上升至60篇，2003年上升到100篇以上。

　　左手材料——制造的實現(xiàn)孕育其巨大的應用前景

　　左手材料的巨大應用前景源于它的制造實現(xiàn)。Pendry在2000年就曾建議制作“超級透鏡”(也稱“理想棱鏡”)以實現(xiàn)左手材料的應用，這一建議在2004年被變成了現(xiàn)實，科學家利用左手材料已經(jīng)成功制造出平板微波透鏡。2004年2月，俄羅斯莫斯科理論與應用電磁學研究所的物理學家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術(shù)要求被觀察的物體幾乎接觸到鏡片，這一前提使其在實際應用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學的科學家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關(guān)，這種射線在電磁波頻譜中的位置緊鄰無線電波。兩國科學家的研究成果獲得科學界的高度贊賞，被美國物理學會評為2004年度國際物理學會最具影響的研究進展。

　　此外，根據(jù)左手材料不同凡響的特性，科學家已預言可以應用于通訊系統(tǒng)以及資料儲存媒介的設(shè)計上，用來制造更小的移動電話或者是容量更大的儲存媒體;等效的負折射媒質(zhì)電路可以有效減少器件的尺寸，拓寬頻帶，改善器件的性能。未來，左手材料將會在無線通信的發(fā)展中起到不可忽略的作用。

　　左手材料——已被列入我國國家自然科學基金2005年重點項目指南

　　左手材料的研究已引起我國有關(guān)科學界的關(guān)注。除上海科學家以外，香港科技大學、中科院物理研究所、南京大學、北京大學、西北工業(yè)大學等單位均有科學家先行涉足這一領(lǐng)域的研究。國家自然科學基金委將左手材料和負折射效應的研究列入了2005年重點交叉項目指南中，在數(shù)理部和工程與材料學部聯(lián)合的“準相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關(guān)基礎(chǔ)性問題研究”列為主要探索內(nèi)容之一，在數(shù)理部和信息科學部聯(lián)合的“周期和非周期微結(jié)構(gòu)的新光子學特性”主題中將“周期及非周期微結(jié)構(gòu)中在太赫茲、近紅外及可見波段的負折射效應研究”列為主要探索內(nèi)容之一。同時，基金委信息學部將“異向介質(zhì)理論與應用基礎(chǔ)研究”列入2005年重點項目指南，異向介質(zhì)即是左手材料的另一個名稱。