超材料研究應(yīng)用介紹

甘光松 趙志根

【摘要】超材料領(lǐng)域研究，對(duì)國防建設(shè)和國家發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義，是未來科技競(jìng)爭(zhēng)的核心。因此，要廣泛普及相關(guān)知識(shí)，引起高度關(guān)注，集中力量突破關(guān)鍵領(lǐng)域研究，在新興科技競(jìng)爭(zhēng)中占得一席之地。

【關(guān)鍵詞】超材料;左手材料;光子晶體;研究應(yīng)用

我國在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)、介質(zhì)超材料以及聲波負(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面取得了多項(xiàng)成果，在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。那么，何為超材料，超材料到底有著怎樣的研究應(yīng)用前景呢？

一、超材料的概念及分類

超材料是指一些具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料，它不存在于自然界。超材料能夠以奇異的方式改變光的方向，包括讓光在隱形物體處彎曲等。超材料的成分并沒有什么特別之處，它的奇特性質(zhì)源于其精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。其微結(jié)構(gòu)大小尺度小于它作用的波長(zhǎng)，因此得以對(duì)波施加影響。超材料是一個(gè)跨學(xué)科的課題，囊括了電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等。超材料的奇異杼性使它具有廣泛的應(yīng)用前景，比如高接收率天線、雷達(dá)反射罩甚至是地震預(yù)警等。典型的超材料主要包括“左手材料”“光子晶體”“超磁性材料”和“金屬水”等，本文重點(diǎn)介紹前兩種材料。

二、左手材料

（一）左手材料的定義

“左手材料”是指一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料。電磁波在傳播時(shí)，波矢K、電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H之間的關(guān)系符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。

（二）左手材料的特點(diǎn)

左手材料具有負(fù)相速度、負(fù)折射率、理想成像、逆Doppler頻移、反常Cerenkov輻射等奇異的物理性質(zhì)。“左手材料”顛倒了物理學(xué)的“右手規(guī)律”，而后者描述的是電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的關(guān)系及其波動(dòng)的方向。由于“左手材料”的顯著特點(diǎn)是它的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都是負(fù)數(shù)，所以被稱之為“雙負(fù)介質(zhì)”材料，通常也被稱為“負(fù)折射系數(shù)材料”，或簡(jiǎn)稱“負(fù)材料”。

（三）左手材料的應(yīng)用前景

根據(jù)左手材料的奇異特性，科學(xué)家已預(yù)言其可以應(yīng)用于通信系統(tǒng)以及資料儲(chǔ)存媒介的設(shè)計(jì)上，用來制造更小的移動(dòng)電話或者是容量更大的存儲(chǔ)媒體，等效的負(fù)折射媒質(zhì)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(huì)在無線通信的發(fā)展中起到不可忽略的作用。

（四）左手材料的發(fā)展趨勢(shì)

左手材料存在的困難是：材料制造技術(shù)制約了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，仿真手段不足，一些電磁規(guī)律認(rèn)識(shí)不足等問題。其未來發(fā)展趨勢(shì)是：①利用橫向磁化的鐵氧體磁性材料在一定范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率特征;②采用LDS技術(shù)制造金屬導(dǎo)電圖案，實(shí)現(xiàn)智能制造，綠色制造;③采用增材制造（3D打印技術(shù)），實(shí)現(xiàn)左手器件低頻化、寬帶化;④左右手材料相結(jié)合制造左手器件;⑤左手單元之梯度材料的空間排列，實(shí)現(xiàn)電磁波調(diào)控。

三、光子晶體

（一）光子晶體的定義及分類

光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，也稱PBG光子晶體結(jié)構(gòu)。所謂光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性的結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。光子晶體概念最初是在光學(xué)領(lǐng)域提出的，其研究范圍已擴(kuò)展到微波與聲波波段，由于這種結(jié)構(gòu)的周期尺寸與“禁帶”的中心頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)可比擬，所以這種結(jié)構(gòu)在微波波段比在光波波段更容易實(shí)現(xiàn)。光子晶體和半導(dǎo)體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設(shè)計(jì)和制造光子晶體及其器件，達(dá)到控制光子運(yùn)動(dòng)的目的，光子晶體的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢(mèng)想成為可能。按照光子晶體的光子禁帶在空間中所處的維數(shù)，可以將其分為一維光子晶體、二維光子晶體、三維光子晶體。

（二）光子晶體的特點(diǎn)

簡(jiǎn)單地說，光子晶體具有波長(zhǎng)選擇的功能，可以有選擇地使某個(gè)波段的光通過而阻止其他波長(zhǎng)的光通過。

光子晶體是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體，與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波，當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)，能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。

（三）光子晶體的應(yīng)用前景

光子晶體的引入為微波領(lǐng)域提供了新的研究方向。光子晶體完全依靠自身結(jié)構(gòu)就可實(shí)現(xiàn)帶阻濾波，且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在微波電路、微波天線等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，光子晶體將會(huì)被廣泛應(yīng)用，如將會(huì)制造出高效光子晶體激光發(fā)射器、高亮度的發(fā)光二極管、光子晶體邏輯電路、光子晶體光纖以及由光子晶體驅(qū)動(dòng)的光子計(jì)算機(jī)等。

（四）光子晶體的發(fā)展趨勢(shì)

光子晶體廣泛應(yīng)用還需解決的一些問題是：三維光子晶體制作困難問題，解決隨意在任何位置引入需要的缺陷問題，制作高效率光子傳導(dǎo)材料問題，如何將已有的電流和電壓加到光子晶體上的問題等。光子晶體未來發(fā)展趨勢(shì)是：①與納米技術(shù)相結(jié)合，用于制造微米級(jí)激光、硅基激光;②與量子點(diǎn)結(jié)合，使得原子和光子的相互作用影響材料的性質(zhì)，從而達(dá)到減小光速、減小吸收等作用;③研制信息傳輸速率更高、效率更高的光子晶體光纖;④狄拉克錐在光子晶體中的實(shí)現(xiàn)等。