负折射率超材料

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。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電路板材料制成，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。 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 。 负折射率超材料由俄罗斯理论物理学家维克托·韦谢拉戈（英语：Victor Veselago）于1967年在理论上首次提出。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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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，会影响到包括司乃耳定律、多普勒效应、切伦科夫辐射、菲涅耳方程以及費馬原理。 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。 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）。但信息的传递速度总是被限制在光速以下。 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。 加利福尼亚理工学院 杜克大學 哈佛大學 赫尔辛基理工大学 爱荷华州立大学 伦敦帝国学院 马克斯普朗克学会 國家標準技術研究所 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek 倫敦大學 加州柏克萊大學 爾灣加州大學 洛杉磯加州大學 聖地牙哥加州大學 科羅拉多大學 科羅拉多大學科羅拉多泉校區 羅徹斯特大學 克萊姆森大學 材料 Engheta, N.; Ziolkowski, R. 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