負折射率材料特點和應用

.9/9負折射率材料的特點及其應用背景自然界存在的介質都是折射率大于0的,我們常接觸的材料的折射率多數(shù)都是大于1,在定性思維的誤區(qū)下,人們認為介質的折射率都為正。直到1968年,蘇聯(lián)物理學家維克托·韋謝拉戈〔VictorVeselago[1]提出了負折射率的理論。由于韋謝拉戈的這一設想完全顛覆了人們所認知的光學世界,它能夠使光波看起來如同倒流一般,在許多現(xiàn)象描述上完全背離常規(guī),所以在相當長的時間內都不被人們認可,這種荒誕的想法沒有必要去研究證明。Veselago為了證明自己的觀點開始苦苦尋求滿足要求的物質,但是他失敗了。沒有充足的證據(jù)證明他的猜想,漸漸地就被人們淡忘了。19966年~1999年,英國的Pendry從理論上提出了一種由開路諧振金屬環(huán)構成,具有等效的負介電常數(shù)和負磁導率的三維周期結構,[2]~[3]這一發(fā)現(xiàn)理論上證明了負折射率材料的可存在性,使Veselago的猜想重新擺在了人們面前。不久,美國的Smith等在20XX金屬絲板和SRR板有規(guī)律地排列在一起,制作了世界上第一塊等效介電常數(shù)和等效磁導率同時為負數(shù)的介質,從實驗上驗證了負折射率的存在。[4]~[5]他們研制出了相應的器件,負折射率材料由此進入了實質性研究的階段。20XX,Shelby等人首次在實驗上證實了當電磁波斜入射到左手材料與右手材料的分界面時,折射波的方向與入射波的方向在分界面法線的同側。[6]圖1.負折射率的超材料近年來,負折射率材料的研究愈發(fā)成為科學界的熱點,這要應用于軍事、航天等高端領域,起因了國內外眾多研究者的注意,涉及電磁波、光電子學、材料學等方面。隨著對負折射率材料的研究,又掀起了一陣對新興領域的發(fā)展,即超穎材料〔Metamaterials。超穎材料不只包含負折射率材料,也包含單負材料,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樣,超穎材料的重要意義不僅體現(xiàn)在所研制出的幾種人工材料,也體現(xiàn)在了一種全新的思維方法。為新型功能材料的設計提供了一個廣闊的空間。理論分析首先來看一下負折射率材料的概念,負折射率材料也稱為左手材料〔lefthandedmedium,簡寫為LHM〔這一命名原由將在后面給予證明。指的是介電常數(shù)ε、磁導率μ、折射率n同時為負的介質。[5]麥克斯韋方程組在物理領域有著至高無上的地位,主要是由于麥克斯韋方程組適用廣泛,所以這里我們也從麥克斯韋方程組開始著手。電磁波尸油諧振的電場和磁場組成。各向異性介電物質中電位移矢量與電場強度矢量方向一致,大小成正比,有式中ε是比例系數(shù),成為介電常數(shù)。對于各項同性非鐵磁性物質,磁感應強度矢量與磁場強度矢量方向保持一致,大小成正比,有式中μ成為磁導率。再加上,以上三個式子被稱為物質方程。我們再來看麥克斯韋方程組的微分形式：麥克斯韋方程組表明,任何隨時間而變化的磁場,都是和渦旋電場一起的。任何變化的電場,都是和磁場聯(lián)系在一起的。在各向同性介質中,ε為標量；而有各向異性介質中時,ε為張量,D、ê不再是同方向。[9]當討論在無限大的各項同性介質均勻介質中的情況是,ε、μ都為常數(shù),并且在遠離輻射源的區(qū)域,不存在自由電荷和傳導電流,即ρ=0,j=0。因而麥克斯韋方程組可化簡為：由于,所以因此,同理,得到波動方程,由波動方程知,D和ê滿足波動方程,表明電場和磁場的傳播是以波動形式進行的。且傳播速度ν式中,是相對介電常數(shù),為相對磁導率。,為ε,μ在真空中的値；c為自由空間中的光速,。介質的折射率表示為光線進入表面時介質改變光線線路的能力,并沒有規(guī)定折射率一定為正。我們再看一下復折射率,[5]在導電介質中,k為小光系數(shù)。若用來描述波動,X的模長即為代表振幅,X的相位表示博得相位。折射現(xiàn)象改變波矢,即對應N的實部；吸收規(guī)律滿足振幅隨貫穿深度的指數(shù)衰減,即對應N的虛部。從理論上來說,N的實部可以取負數(shù),負折射率的概念并不違背折射理論。當我們推導折射率公式時,如圖2所示,圖2.電磁波在界面上的折射AC、BE為波前,,,有此式被稱為Snell定律。若單從Snell定律出發(fā),好像n恒為正值。丹Snell定律在推導過程中忽略了一個重要的問題。在Snell定律中,定義即使有時,仍有n>0,這只是對一般的材料適用。近年來人們發(fā)現(xiàn)的周期性排列的人工電介質材料的反常規(guī)現(xiàn)象就可以證明這一點。在一般條件下,有。利用我們的慣性思維,就會直接取,但是這個負號不能隨意去掉,也就是說理論上不違背,我們就不能排除的可能性。定義,代入得上式中左邊系數(shù)皆為正,要求折射率n、介電常數(shù)ε、磁導率μ為同號。[10]即當時,n取正；當時,n取負。單獨從麥克斯韋方程組的旋度公式來看,矢量ê,磁感應強度和波矢遵循右手規(guī)則。然而當μ<0時,波傳播方向發(fā)生反轉,與能流方向相反,此時的ê、、遵循左手規(guī)則,所以我們也把這種負折射率材料成為左手材料。經過實驗驗證,當電磁波入射到左手材料和右手材料的分界面時,折射波的方向與入射波的方向在分界面法線的同側。[6]由此可畫出由常規(guī)材料射入到負折射率材料的光線情況,如圖3所示,圖3.光線在左手介質中的折射情況介質一為右手材料,介質二為左手材料。在介質一中波矢和能流方向相同,在介質二中,折射光線的波矢和能流方向相反。入射光線和折射光線居于法線同側,為入射角、為折射角,折射角大小可仍由Snell定律確定。但之后有人提出,在RHM〔右手介質和LHM〔左手介質的交界面上發(fā)生的負折射只是相速度,與能量息息相關的群速度發(fā)生的還是正折射。這就影響到之后要討論的完美成像的問題。而且,如果說ε、μ都為負,那么與之相對應的能量密度,也應為負,即負能量。關于負能量的應用和實現(xiàn)有待討論,但是有文獻涉及到了新奇介質的超光速運動問題。負折射率材料的反常規(guī)現(xiàn)象和應用反常成像現(xiàn)象負折射介質〔NIM制作的透鏡與常規(guī)介質〔PIM透鏡有完全相反的效果,這是有它本身的性質決定的,[11]如圖4所示,圖4.NIM介質的透鏡在圖3中,第一個凸透鏡起到了發(fā)散光線的作用；第二塊凹透鏡起到會聚光線的作用；而在第三塊平板棱鏡,光線分別在透鏡內部和外部重新會聚成一點,成實像。由此英國皇家學院的Pendry認為,NIM可以突破衍射極限,無損耗的完美成像的"完美透鏡"。Veselago[1]曾經指出,折射率為-1的平板棱鏡能將來自附近電磁波源的光線聚焦到另一側而成像。而對于普通的光學透鏡〔ε>0,μ>0而言,由于攜帶物體亞波長信息的倏逝波隨傳播距離呈指數(shù)衰減,因此達到像面時的電磁波必然會損失一部分關于物體的信息。對此,Pendry[2]指出了不損失物體信息的完美透鏡。用一塊NIM平板構成一塊透鏡,用此平板棱鏡成像時,所有的傅里葉分量都會聚焦,倏逝波振幅被放大,從而保留下全部信息。設頻率為w的偶極子,其輻射場的電場分量可以利用傅里葉級數(shù)展開得,其中,,當時,為實數(shù)；當時,。此時,沿+z方向傳播,幅度按指數(shù)規(guī)律衰減,即倏逝波衰減很快,無法參與成像,故傳統(tǒng)光學透鏡要求。分辨率。而當透鏡為負折射率介質時,設,即此時折射率n=-1,反射系數(shù),即傳播波無損失地參與了成像。波傳播一段距離z后復振幅放大。由于NIM和PIM中波矢方向相反,所以右手介質中的衰減場進入左手介質后變?yōu)樵鰪妶?相當于對倏逝波進行放大,放大后的倏逝波進入PIM后又衰減為原來的値,最后成像。如圖5所示,圖5.倏逝波成像過程Pendry認為該棱鏡突破了衍射極限的限制,達到亞波長分辨率的完美成像。將這種理論上的透鏡稱之為"完美透鏡"。但是隨后,就引起了人們的置疑。首先是Garcia[12]指出,NIM不能實現(xiàn)"完美透鏡"。理論分析表明,Pendry假象的左手材料不吸收或傳播光的能量,倏逝波將包含無窮大的能量,對其進行恢復沒有物理意義,而且NIM透鏡是有厚度限制的,它阻礙了振幅的修復和完美聚焦。實際介質中必然會發(fā)生能量損失,比如由于色散引起的能量被吸收,所以要達到"完美"是不可能的。Smith[13]也指出,NIM的損耗和透鏡的厚度的因素都會影響到亞波長的成像分辨率。但是,相比常規(guī)透鏡NIM的成像分辨率已經大大提高。因此將此現(xiàn)象定義為"超透鏡"〔superlens更為貼切。"超透鏡"可以應用于提高分辨率,用于醫(yī)學成像等。還可以大幅度提高光學存儲器的存儲容量。反常多普勒頻移我們都知道多普勒效應[9]：光源遠離我們時,我們看到的光的波長會增加,頻率變短,此時稱為紅移現(xiàn)象；而當光源靠近我們是,我們觀測到光的波長變短,頻率增大,這種現(xiàn)象叫做藍移。而在NIM材料中,現(xiàn)象正好相反,光源遠離我們時發(fā)生藍移,而靠近我們時發(fā)生紅移。這是因為在NIM中能量的傳播方向和波矢方向正好相反[14],如圖6所示,圖6.PIM和NIM中的Doppler效應在圖中,〔a為右手介質的Doppler效應,〔b為左手介質的Doppler效應,A為光源,B為探測器并以速度v向光源移動。在NIM中,收到的電磁波頻率比光源的頻率低；在PIM中,收到的電磁波頻率比光源的頻率高。負Goss-Hanchen位移首先讓我們來認識一下什么是Goss-Hanchen位移。Goss-Hanchen位移[15]就是在兩種介質〔兩種介質都是右手介質的分界面上,若入射光束被界面全反射,反射光束在界面上相對于幾何光學預言的位置有一個很小的橫向位移,且位移沿光的傳播方向。我們知道Goss-Hanchen位移是由于在低折射率區(qū)的倏逝波把入射光束能量沿著反射界面?zhèn)鬏斠鸬?。位移的大小僅僅與兩種介質的相對折射率以及入射光束的方向有關。在兩種PIM介質的分界面上,能量將向右傳輸,橫向位移向右；但是,當光束由PIM入射到NIM中,且發(fā)生全反射,在NIM中,能流方向與波矢方向相反,導致橫向位移會向左。圖7.不同材料的Goss-Hanchen位移逆Cerenkov輻射[16]在前面的理論闡述中我們知道NIM中相速度與群速度方向相反。在色散介質中群速度決定了帶有信息的電磁波的傳播方向和能量流動。群折射率在NIM中還是正的。高速帶電粒子在非真空的透明介質中穿行,當粒子速度大于光在這種介質中的相速度〔即單一頻率的光波在介質中的傳播速度時,就會激發(fā)電磁波。這種現(xiàn)象就叫做Cerenkov輻射。Cerenkov輻射不是單個粒子的輻射效應,而是運動帶電粒子玉戒指內束縛電荷和誘導電流所產生的集體效應。當帶電粒子在介質中以速度v沿一直線運動,波矢量方向主要順著v方向,但是分量方向在左手介質和右手材料中完全相反。其中,夾角θ為切倫科夫焦,滿足,v為粒子速度。圖8.RHM和LHM介質的Cerenkov輻射從電動力學的理論來解釋,在真空中的勻速運動的帶電粒子在周圍引起誘導電流,從而在其路徑上形成一系列次波源,分別發(fā)出次波。當粒子速度超過光速時,這些次波相互干涉,輻射出電磁波,干涉后形成的等相面是一個錐面,電磁波能量沿此錐面的法線方向輻射出去。反常光壓光壓[17]就是射在物體上的光對物體所產生的壓力。有些人可能會覺得十分的不可思議,如果能產生壓力的話,那么我們每天就都會受到來自太陽和燈光的壓力了？答案是肯定的。因為我們知道由于光具有粒子性,所以當光達到物體上時,根據(jù)動量定理,會對此物體產生一定的壓力。大量光子長時間作用就會形成一個穩(wěn)定的壓力。只是由于我們的感覺器官的靈敏度的限制而感受不到來自光的壓力。但是有大量的實驗和事實可以證明。例如,彗星尾巴就是由于受到太陽的光壓形成的背離太陽的現(xiàn)象。早在1901年,俄國物理學家彼得·尼古拉耶維奇·列別捷夫設計了一個實驗,首次發(fā)現(xiàn)光壓,并且測量了數(shù)據(jù)。與此同時,美國物理學家尼科爾斯和哈爾也分別用精密實驗測定了光的壓力。下面我們用理論來證明一下PIM和NIM中的光壓現(xiàn)象。[18]一束入射的平面單色光波可以看作是光子流,其中每個光子攜帶的動量p=hk。假設光束在介質表面發(fā)生全反射。如圖8所示,圖9.不同介質的光壓效應在右手系介質中,波矢k的方向與電磁波的傳播方向相同,光對物體是假了一個朝向物體的動量,即對物體產生一個壓力。而在負折射率材料中波矢k的方向與電磁波的傳播方向相反,故負折射率材料中傳播的電磁波會對物體產生吸引力。應用前景及可能性利用負折射率介質的本身性質制作出"超透鏡"這點是十分可能的。在前面的理論分析中已經討論過,雖然現(xiàn)在還不能制備出無任何光能損失的"完美透鏡",這種分辨率大大提高的"超透鏡"也有十分廣泛的應用空間。將這種超透鏡應用到顯微鏡上,可以大大顯微鏡的精度,能夠看到小到DNA的物體。用NIM可以達到用光束來處理信息和電子產品,提高存儲容量和計算速度,未來我們將會研制出體積更小,容量更高,性能越好的電子設備。近年來對負折射率材料的另一熱點研究就是應用于國防。有人設想可以用NIM作為新一代隱身戰(zhàn)斗機的材料。目前隱身是通過優(yōu)化飛機的氣動外形減少反射截面和涂抹吸波材料使反射到敵方雷達的電磁波減少到最少,或是利用干擾以混淆目標和背景使敵方不能發(fā)現(xiàn)從而達到隱身效果。但是這種方法不是特別完美,天價的隱身戰(zhàn)斗機一旦被發(fā)現(xiàn)損失是相當大的。所以有人開始設想,若將戰(zhàn)斗機表面或整體材料都換成是負折射率材料,因為磁波通過負折射材料會發(fā)生彎曲繞過,而不會反射到雷達上,從而實現(xiàn)更高質量的隱身。但是就目前人類所掌握的技術來說是根本達不到的。首先,若是降戰(zhàn)斗機的表面涂層用負折射率介質是不可能的。一名為目前我們目前所能研制出的一種可增強光線的負折射率超材料是利用漁網(wǎng)樣薄膜和銀、氧化鋁疊層研制出的,是將銀和不傳到的氧化鋁交替層疊在一起,在薄膜上挖出直徑為100nm的小洞,小洞交織在一起。然后利用刻蝕技術去掉銀層之間的氧化鋁,用增益介質填充。這樣的符合結構都是由兩種或兩種以上的電解質材料周期性排列而成的人造材料,排列周期為波長量級,具有光能帶間隙,可以控制電磁波在其中傳播。圖10.人工構造的負折射率材料樣品而且復合材料對厚度有要求,一種復合材料要想達到完全折轉電磁波的作用的話,就會要求很多個排列周期,厚度很大,所以根本不可能做涂層。要是用NIM做戰(zhàn)斗機全身就更不可能了,這樣對NIM性能的要求更高。目前人類所研制的負折射率材料都是在微波段取得明顯成效,復合材料還要求有特定波長,對于戰(zhàn)斗機的全部可見光波段的隱身還需要進一步的發(fā)展。由于負折射率材料的特殊性質對國防方面的發(fā)展極具誘惑力,目前美國歐洲都在大力研究這項技術。利用負折射率材料的特性研發(fā)的另一個被世人津津樂道的就是隱身衣。視覺隱身的原理實際上是引導光波等"轉向"。這一設想剛好符合NIM的特性,所以人們希望通過對NIM的研究來制備出像《哈利·波特》中一樣的隱身衣。20XX,日本東京大學教授推出了一款寬大外衣,人們只需穿上這件外衣,就可以讓人"難以辨認"。但是它不是真正的隱身衣,它只是在整個衣服上涂上了一層回射性物質,衣服上還裝配了照相機,原理是將衣服后面的場景由攝影機拍攝下來,然后將圖像轉換到衣服前面的放映機上,再將影像投射到由特殊材料制成的衣料上,從而達到視覺偽裝。圖11.日本發(fā)明的隱身衣但隨著劉若鵬的寬頻帶隱身斗篷的問世,和近年來美國杜克大學及中國東南大學研制的可以扭曲微波的隱身斗篷,未來實現(xiàn)《哈利波特》小說中的隱身斗篷的日子已經不遠了。負折射率材料是當今國際科學研究的熱點問題,有著強大的潛在發(fā)展前景,我國目前對此課題的研究已經有了一定的成果。參考文獻VeselagoV.G.,Sov.Phys.Usp.,1968,10,509PendryJ.B.,etal.,Phy.Rev.Lett.,1996,76,4773PendryJ.B.,etal.,IEEETrans.Microwav