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“左手材料”是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播时,波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律,因此称之为“左手材料”。它具有负群速度、负折射率、理想成像、逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射等奇异的物理性质。“左手材料”颠倒了物理学的“右手规律”,而后者描述的是电场与磁场之间的关系及其波动的方向。   

左手材料——源于上世纪60年代科学家的假想本世纪以来,一种被称为“左手材料”的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐,对其的研究正呈现迅速发展之势,而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。 

物理学中,介电常数ε和磁导率μ是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。在已知的物质世界中,对于电介质而言,介电常数ε和磁导率μ都为正值,电场、磁场和波矢三者构成右手关系,这样的物质被称为右手材料(right-handed materials,RHM)。这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规,但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。1967年,前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文,首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现,即:当ε和μ都为负值时,电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料(left-handed materials,LHM),同时指出,电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反,比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。这篇论文引起了一位英国人的关注,1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上。但几乎无人意识到,材料世界从此翻开新的一页。   由于左手材料的显著特点是它的介电常数和磁导率都是负数,所以有人也称之为“双负介质(材料)”,通常也被称为“负折射系数材料”,或简称“负材料”。  

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”)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;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——已被列入我国国家自然科学基金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”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,异向介质即是左手材料的另一个名称。


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