超材料(metamaterial)是一种人工设计的新型电磁材料,其一般由亚波长尺寸的周期阵列单元构成,其拥有许多不同于自然界中常规材料的超常物理特性[23-24]。超材料并不是一种新的材料形态,而是对自然界中的常规材料进行人工的组合设计,以实现其独特的物理性质。这是一种全新的设计理念,给人们对于材料的传统思维方式带来了很大的转变。对于超材料的研究最开始是围绕左手材料开展的。1968年,俄罗斯物理学家V.G.Veselago预测了一种介电常数ε和磁导率μ同时为负值(ε＜0,μ＜0)的材料,并将其命名为左手材料(left-handedmaterial)[25]。电磁波在左手材料中传播时,电场E、磁场H和波矢k满足左手螺旋关系,正好与电磁波在常规材料中的传播特性相反。Veselago在理论上详细地分析了左手材料的超常物理性质,但在之后很长一段时间里没有人能够制备出具有这种特性的材料。直到1999年,J.B.Pendry等人提出了能够单独实现负介电常数或者负磁导率的原理模型,并在此基础上设计了一种具有磁响应的开口谐振环(Split Ring Resonator,SRR)结构[26]。之后,R.A.Shelby等人首次在实验中验证了左手材料的存在[27],如图0-3所示。2001年,美国加利福尼亚大学在实验室中制造出了世界上第一个负折射率超材料,并通过实验证明了负折射现象与负折射率。2002年,麻省理工学院从理论上证明了“左手材料”存在的合理性,预言了这种人工材料在高指向天线、微波波束聚焦、电磁波隐身等方面的应用前景。2006年杜克大学制造了能在光波下隐形的“隐身外衣”。2007年,著名出版社Elsevier发行了新期刊Metamaterials,这标志着超材料学科的诞生。2009年宽频段的隐身衣出现了。2010年电磁黑洞被发现了。
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图0-3 Shelby等人设计的超材料样品图[27]
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