超材料的简要介绍外文翻译资料

本科毕业设计（论文）

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超材料的简要介绍

作者：Rakhesh Singh Kshetrimayum

国籍：印度

出处：电气电子工程师学会数据库

中文译文：

超材料（meta表示希腊语中的“超越”）是具有不寻常电磁特性的新型人造材料，这在天然存在的材料中是找不到的。所有“天然”材料如玻璃，金刚石等都具有正电容率，磁导率和折射率。在这些新的人工制造材料中 - 称为负指数材料（NIM）或双负（DNG）介质或左手（LH）材料或后向波（BW）介质 - 所有这些材料参数都是负面的。利用这些不寻常的材料参数，可以为无线通信和国防工业创建新型微型天线和微波组件/设备。

在光学中，制造的每个镜头都受到迄今为止用于聚焦的光的波长的限制。对于超材料，应该可以使用能够聚焦于小于光波长的特征的“超级”透镜。这种可能性为医学应用开辟了亚波长磁共振成像（MRI），例如增加分辨率以观察微小的癌细胞。MRI系统采用线圈来截取来自身体深处的感兴趣区域的射频（RF）磁通量。使用超材料提供了将RF通量引导到接收器线圈的新颖可能性，允许获得清晰的图像，否则无法检测到。

特性：

电容率ε（对电场的响应）和磁导率mu;（对磁场的响应）是材料对电磁（EM）波的响应的主要决定因素。在超材料中，这两种材料参数都是负面的。相应地，由于折射率，超材料的折射率也是负的。因此，当光从真空进入超材料时，光会弯曲“错误的方式”，如图1所示。通常，当光线照射时，光线向法线弯曲（垂直于界面，如图1中的虚线所示）。从稀有媒介进入更密集的媒介。但对于超材料，光线会偏离正常状态。

超材料中负ε和mu;的直接结果是当我们在四个麦克斯韦方程中改变ε和mu;的符号时，我们得到电场E，磁场H和相位向量k的左三元组。对于普通材料，它是右手三合一。这意味着相位矢量k和群速度或坡印亭矢量S在相反的方向上。

对于超材料。因此，波以所谓的向后方式流动（即，波浪相位似乎向后波动，而能量沿着向前方向沿着入射传播）。相速度的方向由相位向量k指定;然而，Poynting矢量S表示能量或群速度的传播方向。

超材料的另一个奇怪特性是反向多普勒效应。当它接近时，它使音调哨声音高，并且随着音调的减小而音调降低。这种现象的可能应用是移动无线通信，目前仍在调查中。

此外，还有反向切伦科夫效应。这意味着通过介质的带电粒子从粒子后面的锥体发射光，而不是像“正常”材料那样从其前面发射光。当带电粒子以比光速快的速度在材料中移动时，发生切伦科夫辐射。在粒子物理学中，一种可能的应用是构造切伦科夫探测器以识别各种速度的带电粒子。

背景：

俄罗斯物理学家Victor Veselago于1968年在理论上提出了超材料。他理论上研究了物质的电动力学，同时具有介电常数（ε）和磁导率（mu;）的负值。他研究了电磁（EM）波在这些材料中的传播方式以及它们的特性。然而，直到最近才发生具有同时负ε和mu;的这种材料的实验验证。1996年，John B. Pendry等人提出，具有特定半径和间距的周期性铜线阵列产生负ε材料的电磁响应。三年后，他进一步提出周期性的裂环谐振器阵列（SRR）将具有mu;为负的频带。

现在，让我们考虑如何创建这些超材料。最简单的方法是构造由元素对组成的周期性结构，其中一个元素阵列产生负ε而另一个元素阵列产生负mu;。因此，David Smith等人设想，如果他们能够以某种方式将这两种Pendry提出的人造材料结合起来，那么复合材料将是具有负ε和mu;的超材料，正如Veselago在30多年前假设的那样。因此他们开始构建这种复合人造材料并观察其材料特性。

第一种超材料是通过交错SRR和铜线制成的。该实验使用在标准电路板材料的互锁条上的铜条和开口环谐振器（SRR）的重复单元电池的二维阵列。从透射光束通过由这些超材料结构制造的棱镜测量的散射角显示出折射率为负的频带。在这种超材料中，SRR阵列有助于负mu;;铜线阵列有助于负ε，并且组合阵列导致负磁导率和介电常数材料。

加州大学圣地亚哥分校的大卫史密斯和他的同事在2001年4月的“科学”杂志上报道了这一结 2003年7月，亚利桑那大学的Richard W. Ziolkowski报道了另一个超材料。

该超材料包括具有嵌入的电容性加载条带（CLS）和方形开口环形谐振器（SRR）的基板。

CLS产生强烈的介电类响应，从而有助于负ε和方形SRR产生强烈的磁性材料样响应，这有助于负mu;。CLS阵列和方形SRR阵列的组合复合结构表现出频带，其中有效ε，mu;均为负，因此具有负折射率。

据报道，可以使用普通的微波工程工具设计，制造和测试超材料。这些可用的制造技术如洁净室蚀刻，阴影掩模/蚀刻等可以应用于许多频带中。但目前关注的重点是射频（RF）到100 GHz的频率范围。这是因为随着所涉及的波长在较高频率下变得更短，制造变得更加困难和更昂贵。

“超级”透镜

这种人工组成的超材料的第一种可能的应用是由于它们的负折射率而在光学中。伦敦帝国理工学院的物理学家John B. Pendry声称，由超材料制成的镜片可以将光线聚焦到波长lambda;以下的物体到几何点。

利用当今已知的天然材料的所有透镜都不能将光聚焦到小于用于检查它的光的方波长的区域（衍射极限）。例如，原子小于可见光的波长。因此，使用光学显微镜无法看到它们。从线源发出的EM场由平面波组成。其中一些正在传播，而另一些正在衰减。它们被称为渐逝波。

传统的镜头只能聚焦传播波。这导致物体的不完美图像。由渐逝波携带的物体的更精细的空间细节（小于波长）由于这些波在从物体行进到图像时经历的强衰减而丢失。这种消逝光谱的损失构成了衍射极限的起源。但是，基于超材料的镜头通过支持渐增的渐逝波来实现完美的成像，这些渐逝的波在图像平面上恢复从源发出的衰减的渐逝波。从而，镜头的分辨率大大提高。

使用由超材料制成的完美平面透镜，可以实现亚波长分辨率或超出衍射极限的聚焦。这就是为什么这种镜头也被称为“超级”镜头。多伦多大学的George V. Eleftheriades在2004年3月19日出版的“物理评论快报”上报道，使用这种“超级”镜头可以达到lambda;/ 2分辨率。即使是最好的光学显微镜，任何小于光波长的物体，如原子和分子都是遥不可及的。但对于这种“超级”镜头，人们可以逐字地看到以前看不见的物体，如原子。

天线等更多：

另一种可能的应用是通信领域。使用这种超材料可以构造具有向后到前向扫描能力的漏波天线。传统的漏波天线具有仅扫描半空间的缺点，即它们仅具有正向扫描能力。利用超材料，我们也可以具有反向扫描功能。如果我们将基于传统和超材料的泄漏波天线结合起来，就可以构建具有向各个方向扫描能力的回火到端射波泄漏波天线。

除了这些例子，许多研究人员正在尝试使用这些新的超材料来改善微波，无线通信，微电子和光学器件的性能。

例如，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Tatsou Itoh和其他人提出了具有任意耦合的耦合线耦合器，紧凑的增强带宽混合环，adband-band非谐耦合器，具有增强的性能。

争议：

每一项新发现或发明都存在争议。超材料也不例外。德克萨斯大学奥斯汀分校的Prashant Valanju等人称，负折射会违反光的基本速度限制。但是，如前所述，已有不少实验结果支持负折射。

有了这些越来越多的证据，世界各地的研究人员开始接受这种具有不寻常特性的新型人造材料。此外，许多国防组织，公司和研究机构正在赞助研究这些人造超材料的研究项目：结构，性质和应用。例如，RF超材料已经在英国开始，帝国学院的John B. Pendry与Marconi Research合作。美国大多数主要的国防公司现在都有一个超材料计划。波音公司领导国防高级研究计划局（DARPA）联盟，专注于GHz频率范围内的负折射。由加州大学洛杉矶分校领导的第二个DARPA联盟更具学术重点。欧盟（EU）根据未来和新兴技术计划资助了一个财团，许多大量资金申请正在筹备中。看看这些美妙的新型人造材料的未来意味着“超越”他们的消极性。

阅读更多相关信息：bull;V. G. Veselago，“具有同时负电和磁渗透性的物质的电动力学”，苏联物理学Uspekhi，第一卷。4，pp.513，1968年1月至2月。

bull;R。A. Shelby，D。R. Smith和S. Schultz，“负折射率的实验验证”，Science，vol。292，pp.77-79，2001年4月6日。

bull;J。B. Pendry，A。J. Holden，D。J. Robbins和W. J. Stewart，“导体和增强线性介质的磁性”，IEEE Trans。微波理论技术，第一卷。47，不。11，pp.2075-2084，1999年11月。

附：正文原文

A brief intro to metamaterials

Metamaterials (meta means “beyond” in Greek) are new artificial materials with unusual electromagnetic properties that are not found in naturally occurring materials. All “natural” materials such as glass, diamond and such have positive electrical permittivity, magnetic permeability and an index of refraction. In these new artificially fabricated materials—termed as negative index materials (NIM) or double negative (DNG) media or left handed (LH) materials or backward wave (BW) media—all these material parameters are negative. With these unusual material parameters, new kinds of miniaturized antennas and microwave components/devices can be created for the wireless communications and the defense industries.

In optics, every lens made has been limited by the wavelength of the light it uses to focus until now. With metamaterials, a “super” lens that can focus on features smaller than the wavelength of the light itself should be possible. This possibility opens up sub-wavelength magnetic resonance imaging (MRI) for medical applications such as increased resolution to observe tiny cancerous cells. MRI systems employ coils to intercept the radio frequency (RF) magnetic flux from regions of interest deep within the body. Using metamaterials offers novel possibilities of guiding RF flux to the receiver coil, permitting a clear image to be obtained where none might be detectable otherwise.

Properties

The electrical permittivity ε(response to an electric field) and the magnetic permeability micro; (response to a magnetic field) are the main determinants of a materialrsquo;s response to electromagnetic (EM) waves. In metamaterials, both these material parameters are negative. Correspondingly, the refractive index of the metamaterials is also negative since the refractive

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