负折射率超材料

**負折射率超材料**或**負折射率材料**（**NIM**）是一種人造光學結構，它的折射率對於一定頻率範圍內的電磁波是負值。目前沒有任何天然材料擁有這一屬性。廣義地說，超材料可以指任何合成材料，但一般上指的是擁有負折射率的一類材料，這些材料具有不尋常的光學屬性和奇異的性質。負折射率超材料由基本結構單元週期性排列構成，基本結構單元稱為單胞，單胞的大小明顯小於光的波長。單胞在實驗室最早由印刷電路板材料製成，即由導線和介電質製成。通常情況下，這些人工製備的單胞按特定的重複形式堆疊或在平面上排列起來，組成單個的超材料。

負折射率超材料的單胞對光的響應是在構築材料之前預先設計好的，材料總的對光的響應主要由單胞的幾何形狀決定，行為與其組分對光的響應有著根本的不同。超材料是「從下到上合成的有序宏觀材料」，具有其組分所不具有的湧現性質。

負折射率超材料與以下術語為同義語：左手材料或左手介質 (LHM)、後向波 (BW) 介質、雙負性 (DNG) 材料超材料等
。

## 性質

負折射率超材料由俄羅斯理論物理學家維克托・韋謝拉戈於 1967 年在理論上首次提出。當時，這種材料被稱為「左手材料」或「負折射率」材料，其光學性質與玻璃、空氣等透明物質的性質相反，光在這種材料中的彎曲和折射行為不同尋常，出人意料，背離人類的直覺。然而，直到 33 年後，第一個實用的超材料才被製造出來。

負折射率超材料用於以新的方式控制電磁波。比如，天然物質的光學和電磁性質通過化學來改變，而超材料通過單胞的幾何排列來控制電磁性質。單胞有序排列的線度小於電磁波的某一波長。人工的單胞對波源的電磁輻射有響應。超材料對電磁波的總的響應比通常材料更寬廣。

通過改變單胞的形狀、大小和構型，可以改變材料的電容率和磁導率，由此控制電磁波的傳輸。電容率和磁導率這兩個參數決定了電磁波在物質中的波的傳播。調控這兩個參數可以使材料的折射率為負值或零，而通常的材料的折射率為正值。超材料的性質依賴於人的預先設計，其光學性質是透鏡、平面鏡和常規材料所不及。

## 反向傳播

在負折射率超材料中，電磁波可以反向傳播，這使得繞射極限下分辨成像成為可能，此即為亞波長成像。

## 材料

第一個實用的超材料工作於微波波段。外形上，它像一個個水晶宮格子，格子的間距小於微波波長。

### 光頻帶

## 應用

負折射率材料在傳統領域中的應用如無線電，電磁波接收系統等，用於製作超材料天線。其他方面的應用正在研究中，如電磁波，微波吸收裝置、小型諧振腔、波導管、相位補償器、微波透鏡等等。它們藉由超材料的性質可以不受繞射效應的限制。

在可見光範圍，超材料製成的透鏡可以避開繞射效應的限制，用來研發毫微光刻技術來製備奈米電路。這會在生物醫學以及亞波長影印技術方面大展宏圖。

### 負的介電常數和磁導率

### 複合材料的頻帶

### 左手材料的描述

## 各向同性與負參數

## 負折射率的實驗驗證

### NIM 的基本的電磁特性

### 左手材料的負折射率

## 對可見光的影響

## 負折射率材料的影響

當導磁率 μ= 1 時，負折射率材料會導致電動力學方程式計算結果的改變。當 μ 的值大於 1 時，會影響到包括司乃耳定律、都卜勒效應、切倫科夫輻射、菲涅耳方程式以及費馬原理。

由於折射率是光學中的一個中心概念，改變折射率會重新認識、定義一些光學定律。

## 反常色散現象

高斯光脈衝在通過反常色散介質時會出現反常色散現象（隨著波長增加，折射率增加，可能導致群速度大於光速的情況被稱作反常色散現象）。但資訊的傳遞速度總是被限制在光速以下。

## 學術研究

超材料是美國政府廣泛研究的領域，包括美國空軍，美國軍隊，以及美國海軍航空系統司令部。同時，眾多的院校也在研究這一課題。

* 加利福尼亞理工學院
* 杜克大學
* 哈佛大學
* 赫爾辛基理工大學
* 愛荷華州立大學
* 倫敦帝國學院
* 馬克斯普朗克學會
* 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

## 參見

* 材料

## 參考

## 拓展閱讀

* S. Anantha Ramakrishna; and Tomasz M. Grzegorczyk. Physics and Applications of Negative Refractive Index Materials (PDF). CRC Press. 2008 [2013-01-26]. ISBN 978-1-4200-6875-7. doi:10.1201/9781420068764.ch1. （原始內容 (PDF) 存檔於 2016-03-03）.
* Ramakrishna, S Anantha. Physics of negative refractive index materials (PDF). Reports on Progress in Physics. 2005, **68** (2): 449. Bibcode:2005RPPh...68..449R. doi:10.1088/0034-4885/68/2/R06.
* Pendry, J.; Holden, A.; Stewart, W.; Youngs, I. Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures (PDF). Physical Review Letters. 1996, **76** (25): 4773–4776 [2013-01-26]. Bibcode:1996PhRvL..76.4773P. PMID 10061377. doi:10.1103/PhysRevLett.76.4773. （原始內容 (PDF) 存檔於 2011-07-17）.
* Pendry, J B; Holden, A J; Robbins, D J; Stewart, W J. Low frequency plasmons in thin-wire structures (PDF). Journal of Physics: Condensed Matter. 1998, **10** (22): 4785–4809 [2013-01-26]. Bibcode:1998JPCM...10.4785P. doi:10.1088/0953-8984/10/22/007. （原始內容存檔 (PDF) 於 2020-04-20）.  Also see the Preprint-author's copy.
* Pendry, J.B.; Holden, A.J.; Robbins, D.J.; Stewart, W.J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena (PDF). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1999, **47** (11): 2075–2084 [2013-01-26]. Bibcode:1999ITMTT..47.2075P. doi:10.1109/22.798002. （原始內容 (PDF) 存檔於 2011-10-06）.
* Padilla, Willie J.; Basov, Dimitri N.; Smith, David R. Negative refractive index metamaterials (PDF). Materials Today. 2006, **9** (7–8): 28 [2013-01-26]. doi:10.1016/S1369-7021(06)71573-5. （原始內容 (PDF) 存檔於 2011-10-06）.
* Slyusar V.I. Metamaterials on antenna solutions （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. (Free PDF download). International Conference on Antenna Theory and Techniques, 6–9 October 2009, Lviv, Ukraine.
* Bayindir, Mehmet; Aydin, K.; Ozbay, E.; Markoš, P.; Soukoulis, C. M. Transmission properties of composite metamaterials in free space (PDF). Applied Physics Letters. 2002-07-01, **81**: 120. Bibcode:2002ApPhL..81..120B. doi:10.1063/1.1492009.

## 外部連結

* Manipulating the Near Field with Metamaterials （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Slide show, with audio available, by Dr. John Pendry, Imperial College, London
* Laszlo Solymar; Ekaterina Shamonina. Waves in Metamaterials. Oxford University Press, USA. March 2009. 2009-03-15. ISBN 978-0-19-921533-1.
* Illustrating the Law of Refraction. [2013-01-26]. （原始內容存檔於 2021-02-12）.
* Young, Andrew T. An Introduction to Mirages. SDSU San Diego, CA. 1999–2009 [2009-08-12]. （原始內容存檔於 2000-10-10）.
* Garrett, C.; et al. Light pulse and anamolous dispersion (PDF). Phys. Rev. A. 1969-09-25, **1** (2): 305–313. Bibcode:1970PhRvA...1..305G. doi:10.1103/PhysRevA.1.305.
* List of science website news stories on Left Handed Materials（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Caloz, Christophe. Perspectives on EM metamaterials. Materials Today (Full article is available, click on doi link). 2009-03, **12** (3): 12–20. doi:10.1016/S1369-7021(09)70071-9.