左手材料

“左手材料”是指一種介電常數和磁導率同時為負值的材料。電磁波在其傳播時，波矢k、電場E和磁場H之間的關係符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。它具有負相速度、負折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等奇異的物理性質。“左手材料”顛倒了物理學的“右手規律”，而後者描述的是電場與磁場之間的關係及其波動的方向。

基本介紹

• 中文名：左手材料
• 時間：21世紀以來
• 性質：人工複合材料
• 領域：固體物理、材料科學

源於假想

21世紀以來，一種被稱為“左手材料”的人工複合材料在固體物理、材料科學、光學和套用電磁學領域內開始獲得愈來愈廣泛的青睞，對其的研究正呈現迅速發展之勢，而它的出現卻是源於上世紀60年代前蘇聯科學家的假想。

物理解析

物理學中，介電常數ε和磁導率μ是描述均勻媒質中電磁場性質的最基本的兩個物理量。在已知的物質世界中，對於電介質而言，介電常數ε和磁導率μ都為正值，電場、磁場和波矢三者構成右手關係,這樣的物質被稱為右手材料(right-handed materials,RHM)。這種右手規則一直以來被認為是物質世界的常規，但這一常規卻在上世紀60年代開始遭遇顛覆性的挑戰。1967年，前蘇聯物理學家Veselago在前蘇聯一個學術刊物上發表了一篇論文，首次報導了他在理論研究中對物質電磁學性質的新發現，即：當ε和μ都為負值時，電場、磁場和波矢之間構成左手關係。他稱這種假想的物質為左手材料(left-handed materials,LHM)，同時指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負折射、負的切連科夫效應、反都卜勒效應等等。這篇論文引起了一位英國人的關注，1968年被譯成英文重新發表在另一個前蘇聯物理類學術刊物上。但幾乎無人意識到，材料世界從此翻開新的一頁。

主要特點

由於左手材料的顯著特點是它的介電常數和磁導率都是負數，所以有人也稱之為“雙負介質（材料）”，通常也被稱為“負折射係數材料”，或簡稱“負材料”。

研發歷史

左手材料的研究發展並不一帆風順。在這一具有顛覆性的概念被提出後的三十年里，儘管它有很多新奇的性質，但由於只是停留在理論上，而在自然界中並未發現實際的左手材料，所以，這一怪誕的假設並沒有立刻被人接受，而是處於幾乎無人理睬的境地，直到時光將近本世紀時才開始出現轉機。原因在於英國科學家Pendry等人在1998~1999年提出了一種巧妙的設計結構可以實現負的介電係數與負的磁導率，從此以後，人們開始對這種材料投入了越來越多的興趣。2001年的突破，使左手材料的研究在世界上漸漸呈現旋風之勢。

2001年

，美國加州大學San Diego分校的David Smith等物理學家根據Pendry等人的建議，利用以銅為主的複合材料首次製造出在微波波段具有負介電常數、負磁導率的物質，他們使一束微波射入銅環和銅線構成的人工介質，微波以負角度偏轉，從而證明了左手材料的存在。

2002年

7月，瑞士ETHZ實驗室的科學家們宣布製造出三維的左手材料，這將可能對電子通訊業產生重大影響，相關研究成果也發表在當月的美國《套用物理快報》上。

2002年底，麻省理工學院孔金甌教授從理論上證明了左手材料存在的合理性，並稱這種人工介質可用來製造高指向性的天線、聚焦微波波束、實現“完美透鏡”、用於電磁波隱身等等。左手材料的前景開始引發學術界、產業界尤其是軍方的無限遐想。

2003年

是左手材料研究獲得多項突破的一年。美國西雅圖Boeing Phantom Works 的C. Parazzoli 與加拿大University of Toronto電機系的G. Eleftheriades所領導的兩組研究人員在實驗中直接觀測到了負折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也發表了利用光子晶體做為介質的左手物質理論仿真結果；美國麻省理工學院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》雜誌發表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負折射現象的實驗結果。基於科學家們的多項發現，左手材料的研製赫然進入了美國《科學》雜誌評出的2003年度全球十大科學進展，引起全球矚目。

2003年，哈爾濱工業大學吳群教授帶領的課題組全面開展了左手材料的相關研究工作。截至如今，在左手材料領域，共承擔國家自然科學基金項目4項，國家973項目子課題2項；在國際、國內一流學術期刊上發表SCI檢索論文57篇，EI檢索論文103篇，在國際、國內學術會議上獲優秀論文獎4次，特邀報告4次；受國防科技出版基金資助出版學術專著1部；已授權發明專利2項。主要研究方向涵蓋了四大方面：“左手材料激發機理分析與電磁特性分析”、“性能優良的左手材料構造與驗證”、“左手材料在新型微波器件中的套用”和“基於左手材料的隱身技術”。

2004年

國際學術界開始出現上海科學家的身影。“973”光子晶體項目首席科學家、復旦大學的資劍教授領導的研究小組經過兩年的研究與巧妙設計，利用水的表面波散射成功實現了左手介質超平面成像實驗，論文發表於著名的《美國物理評論》雜誌上，即刻引起學術界的高度關注，被推薦作為《自然》雜誌焦點新聞之一。同濟大學波耳固體物理研究所以陳鴻教授為首的研究小組從2001年開始對左手材料展開研究，經過兩年的研究，在基礎理論和材料的製備與表征方面取得了重大進展，成果在國際物理學著名刊物上發表，2004年在國際微波與毫米波技術大會上作大會報告，並將在2005年日本召開的國際微波與光學技術研討會上作邀請報告。

2005年

華南師範大學專家（鐵紹龍-周紅衛小組）承擔了廣州市科技局重點項目“基於納米組裝的左手材料及其器件”通過中山大學、華南理工大學專家驗收。

其在左手材料領域重要貢獻是：首次採用納米組裝技術，在多孔的納米二氧化矽球中，組裝磁性材料和導電納米線，這種“帶磁性和金屬線的微球”再定向共混在有機體系中，通過加入粉體百分比來控制基材的密度，進而調整左手頻段頻率，獲得了左手材料的一種批量製造技術。

2009年初

，美國杜克大學和中國東南大學合作，成功研製出微波段新型“隱形衣”，這一研究成果發表在年初出版的《科學》雜誌上。 作為東南大學毫米波國家重點實驗室副主任，崔鐵軍教授在計算電磁學和新型人工電磁材料等領域做出了很多原創性的研究成果。崔鐵軍教授課題組和杜克大學史密斯教授課題組於2006年開始合作，在新型人工電磁材料的理論分析、設計、實驗和套用上取得了一系列成果，為新型“隱形衣”的研製打下了堅實基礎。

2009年11月，東南大學毫米波國家重點實驗室以崔鐵軍和程強為首的研究團隊成功地製作出人造電磁學收集器，在微波環境中，它能夠像宇宙中的“黑洞”一樣去吸收環境中的微波。該成果引起了世界科技界的高度關注，10月15日，《自然》網站也以“科學家研製出可攜帶黑洞”為題介紹了這項研究成果。

左手材料在本世紀初已迅速成為科學界的研究熱點。據不完全統計，在國際主要學術刊物上，2000年與2001年所發表的關於左手征材料的研究論文數量分別是13篇與17篇，2002年上升至60篇，2003年上升到100篇以上。

套用前景

左手材料的巨大套用前景源於它的製造實現。Pendry在2000年就曾建議製作“超級透鏡”（也稱“理想稜鏡”）以實現左手材料的套用，這一建議在2004年被變成了現實，科學家利用左手材料已經成功製造出平板微波透鏡。2004年2月，俄羅斯莫斯科理論與套用電磁學研究所的物理學家宣布他們研製成功一種具有超級解析度的鏡片，但是他們的技術要求被觀察的物體幾乎接觸到鏡片，這一前提使其在實際套用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學的科學家製造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關，這種射線在電磁波頻譜中的位置緊鄰無線電波。兩國科學家的研究成果獲得科學界的高度讚賞，被美國物理學會評為2004年度國際物理學會最具影響的研究進展。

此外，根據左手材料不同凡響的特性，科學家已預言可以套用於通訊系統以及資料儲存媒介的設計上，用來製造更小的行動電話或者是容量更大的儲存媒體；等效的負折射媒質電路可以有效減少器件的尺寸，拓寬頻帶，改善器件的性能。未來，左手材料將會在無線通信的發展中起到不可忽略的作用。

重點項目

左手材料的研究已引起我國有關科學界的關注。除上海科學家以外，香港科技大學、中科院物理研究所、南京大學、北京大學、西北工業大學等單位均有科學家先行涉足這一領域的研究。國家自然科學基金委將左手材料和負折射效應的研究列入了2005年重點交叉項目指南中，在數理部和工程與材料學部聯合的“準相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關基礎性問題研究”列為主要探索內容之一，在數理部和信息科學部聯合的“周期和非周期微結構的新光子學特性”主題中將“周期及非周期微結構中在太赫茲、近紅外及可見波段的負折射效應研究”列為主要探索內容之一。同時，基金委信息學部將“異向介質理論與套用基礎研究”列入2005年重點項目指南，異向介質即是左手材料的另一個名稱。

東南大學：東南大學毫米波國家重點實驗室崔鐵軍教授為主的課題組長期從事計算電磁學與左手材料的研究，並於2009年獲得重大突破，先後與美國杜克大學合作研製成功“隱身衣”，獨立製作出可吸收微波頻段的“黑洞”。崔教授的課題組在左手材料的研究與套用方面不斷延伸、發展。

中科院物理所：該所的磁學國家重點實驗室廣泛開展新型磁性功能材料的探索和研究，研究和探索各種新型磁性材料，如鐵磁性形狀記憶合金，各種高頻（直到10-100G範圍）具有高磁導率，低損耗（如DC-DC convertor材料和左手材料）等；該所的微加工實驗室在低維人工結構製作與套用研究方面重點開展了二維不同結構光子晶體與左手材料、超導量子結構與器件等的研究。

香港科技大學：該校的納米科技研究所所長陳子亭教授是國際知名的凝聚態物理與光子晶體理論研究專家，主要從事光子晶體與左手材料方面的研究。

南京大學：該校電子科學與工程系的馮一軍教授主要從事電磁場與微波技術，新型人工電磁材料及微波器件等研究，如今承擔新型人工電磁介質的理論與套用研究（國家重點基礎研究發展計畫973項目）和左手人工電磁材料和微波器件（教育部博士點基金項目）。

同濟大學：波耳固體物理研究所的陳鴻教授、張冶文教授等人在左手材料與負折射效應的基礎理論、表征手段和器件套用等方面已取得突破。

復旦大學：以資劍教授（“973”項目首席科學家）、周磊教授等為首，在左手材料超平面成像、表征與器件套用（微波天線）等方面已取得重大進展，如今正與同濟大學、華東師範大學、中科院上海微系統所、中科院上海技術物理所、中科院物理研究所、南京大學、美國UCLC和AMES等研究機構開展這一領域的合作研究。該校的理論物理、凝聚態物理和光學三個專業學科均為國家重點學科和博士點。

上海理工大學：以光學與電子信息工程學院莊松林院士為首。莊院士長期從事套用光學、光學工程和光電子學的研究，他設計了百餘種光學系統及儀器，是國內率先開展光學系統CAD的研究者；在復物體的位相恢復研究中提出多種光學方法，開創了該領域研究的新方向；所研製的CdSe硒化鎘液晶光閥達到了當時國際先進水平。

深圳微航磁電技術有限公司：採用 μ和ε 都大於1的磁性和介電材料與高分子母膠共混製成μ=ε 的電磁波吸收材料本體，再改性成為LDS（雷射直接成型）材料，用雷射工藝可以直接沉積金屬圖案，是左手材料製造器件之重要工程化進展。如今該司在“3D左手單元晶泡”上正研究分層製造（3D列印）與LDS（立體電路）相結合工藝，徹底突破制約左手器件多層製造存在的製造手段不足的瓶頸。

技術展望

左手材料也稱為左手媒質，如今存在的困難是材料製造技術制約了產業的發展、有效的仿真手段不足、一些電磁規律認識不足。其發展趨勢是：（1）利用橫向磁化的鐵氧體磁性材料在一定範圍內可以實現負的磁導率特徵，在材料設計上，調整磁性強弱、磁性點陣空間分布密度來調整有效頻段。如今產業界微航有機磁性、介電性材料製成的基材能批量用於手機器件中，很好把握了這一規律。其基材具備磁性，使得左手效應的單元設計簡化為只有金屬導電陣列。（2）採用LDS技術製造金屬導電圖案，實現智慧型製造、綠色製造。（3）採用增材製造（3D列印技術），結合磁性基材，3D構型之介電單元可以填充到基材中，實現左手器件低頻化、寬頻化。（4）左右手材料相結合製造左手器件。（5）左手單元之梯度材料的空間排列，實現電磁波調控。