超材料和超表面：探索表面结构的奇妙世界

1.超材料

超材料通常由按一定规律排布的散射体或者通孔构成，由微结构来获得一定的性能。这些性能是天然材料不具备的，比如负折射率和近零折射率等。

超材料是一种新的人工合成材料，在电磁材料领域，最早的实例是人工电介质。超材料和超表面与经典结构不同，比如光子能带隙结构（PBG）、频率选择表面（FSS）等。双负指数（DNG）超材料也叫作负指数材料（NIM）、左手材料（LHM）等。这种材料在给定的频率带宽内，有效介电常数和磁导率是负值，折射率接近零。拥有这些特性的材料，可以应用在很宽的频率范围（微波到可见光频段），如隐身、低反射材料、新型结构、天线、电子调谐、超透镜和谐振器等。

超材料可以被扩展成二维分布的电子散射体，包括各种形式的散射体。超材料的这种表面结构最初命名为超薄膜，表示一个表面上分布着小的散射体。每个散射体都很薄（甚至比晶格常数小），可以有任意的形状，可以有亚波长尺度。超薄膜又称超表面或单层超材料。与超材料类似，超薄膜也可以通过其散射体的排布，获得特有的电磁特性。

2.超表面

当3D超材料由二维表面代替时，就形成了超表面。超表面是由很多小散射体或者孔组成的平面结构，具有超材料的效果。超表面在占据的物理空间上比3D超材料有优势，属于低耗能结构。超表面在电磁领域有广泛应用（从微波到可见光波段）前景，包括智能控制表面、小型化的谐振腔、新型波导结构、角独立表面、吸收器、生物分子设备、THz调制和灵敏频率调节材料等。(www.xing528.com)

3.发展简史

早在1967年，有人已经对超材料做出了研究，而更早的是Sivukhin在1957年，就对超材料特性做了简单描述。Malyuzhinets和Silin都相信L.I.Mandel在更早的时间里做过超材料研究。Mandel提到1904年关于Lamb的报道，称Lamb或许是这一领域的第一人。Lamb提出了反波的存在性（在相反方向上拥有相位和群速度的波，实例包含机械系统而不是电磁波）。Schuster在1904年的可见光书中，简短地谈及了Lamb的工作，并提出了在可见光介质中或许也有反波特性。1905年，Pocklington展示，在某种情况下静止的自行车链条可以产生反波，加上突然的激励，可以产生一种拥有远离波源的群速度和朝向波源的相速度。

4.可见光超表面

文献介绍应用在可见光波段的超表面较少。在可见光频率范围，对材料实现自由的电磁控制使其可以解释新的现象，包括光学磁性，负折射和超透镜。在可见光频率，由金和银的纳米结构激发的等离子谐振器提供了同时控制超材料的电矩和磁矩的方法。这种结构包括等离子纳米结构、球粒、有缝金属薄膜、金属渔网结构和双层或单层开口环谐振器。由于其在可见光频率所具有的高吸收特性和等离子材料，可见光超材料与实际应用紧密地连接在一起。同样地，克服等离子体损耗也被列上日程。比如可见光调制频率选择表面和受激辐射所产生表面等离子体的应用。另一可见光超材料、超表面的研究，是纳米传输线。

大部分所谓的可见光超材料就是超表面，新的制作技术，如压条法及堆垛法可以实现散射体的空间阵列，由负折射率材料所制成的棱镜，已经实现了光的负折射。