负折射材料.docx
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负折射材料
超材料一词来源于其英文名称Metamaterial，又被译为特异材料，是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，其定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。
比如属于超材料的左手材料（负折射率材料）同光波相互作用的方式与自然材料迥然不同。
因为超材料的物性由人工结构决定而不是由材料本征特性所决定，所以超材料的诞生为材料界引入一个全新的设计理念，以往是自然界有何种材料，就能制造出何种物件，而超材料完全是逆向设计，即针对电磁波的应用需求制造出相应功能的材料。
超材料的目标是利用人造构成要素替代原子及分子、以类似结晶的结构规律来形成新的传输介质[1]。
近年来超材料的研究范围主要有：
左手材料、光子晶体、频率选择表面等。
一、超材料研究受到重视[2]
1967年，苏联理论物理学家Veselago首次假设具有“左手/负折射率”特性的超材料存在，并发表论文，认为这种材料同时具有负介电常数和负磁导率。
Veselago在论文中预言了这种材料的多种特性，包括：
不同于传统材料的正折射率，这种材料呈现出负折射率；该材料呈现电磁波的“左手”传播特性，即电磁波的电场、磁场和波矢构成左手关系，因此被称为左手材料。
但是直到2000年，首个关于左手材料的报告才问世。
此后，Veselago的众多预测都得到了实验验证或广泛模拟。
为了深入了解左手材料的物理原理和国防应用前景，美国DARPA国防科学办公室于2009年发布负折射率材料（NIM）项目，旨在深入研究“左手”传输物理特性以及负折射率，以扩展能够观测到这种现象的频段。
研究人员已经确认了具有负介电常数和磁导率的共振射频结构中存在负折射，目前正探索这种材料在国防上的应用。
国防应用需要显著提高现有NIM的特性（带宽、损耗、运行频率等），并深入了解该材料电磁传输的物理特性。
国防科学办公室NIM项目的详细技术目标包括：
①实验验证和深入了解负折射率材料的物理特性、反向群推论以及相位速率；②研究和演示利用负折射率材料进行亚波长成像；③拓展负折射率材料的工作频率范围；④了解和降低负折射率材料在实际应用中的损耗机制。
按照项目设想，负折射率材料取得的技术进步会形成多个国防应用，包括轻量、微型化射频结构，并提高成像系统的光学特性。
二、超材料设计独树一帜
采用遗传算法逐个筛选超材料微结构中的几何图案以获得最优模式；利用变换光学法可根据所需光线传播路径设计出光学超材料。
1．遗传算法设计宽带超材料[3]
2014年5月，美国宾夕法尼亚州立大学电子工程和材料科学系的研究团队使用遗传算法设计出可以在红外波段提供宽带吸收的特殊材料——超材料。
这是第一次设计出覆盖红外光谱的超倍频程带宽材料。
具有更宽吸收带宽意味着可以在很宽的波长范围内使材料免受电磁辐射，屏蔽仪器不被红外传感器发现，起到保护仪器的作用。
研究者研究了银、金、钯材料，发现钯可以提供更好的带宽覆盖。
这种新超材料由硅衬底或基板上的叠层组成。
第一层是钯，其次是聚酰亚胺层。
在此层之上是钯丝网层。
丝网有精致复杂的亚波长级几何图案，用于阻挡各种红外波长。
只要合理设计丝网上比波长小得多的图案，叠层材料结构可以作为一个高效吸收器，能吸收以55°角入射到丝网上的90%的红外辐射。
聚酰亚胺层覆盖整个吸收器。
研究者使用一种遗传算法设计该材料所需的丝网图案。
通过一系列的0和1染色体来描述丝网图案，让算法随机选择图案以创建设计初始种群。
该算法测试图案后只保存最好的并淘汰其他。
最好图案被调整为第2代。
经过数代的优胜劣汰，选拔出来的好图案达到甚至超过了初始设计目标。
随着时间推移，每一代的最佳图案都被保存。
如果没有遗传算法将无法得到一个覆盖倍频程的带宽。
过去研究人员一直试图使用多个层覆盖的带宽，但多层难以制造和正确套准。
超材料却能容易制造，因为它是简单的金属或塑料层，不需要复杂的逐层套准。
聚酰亚胺透明层可用来保护丝网，也有助于减少波从空气进入装置可能发生的任何阻抗失配。
遗传算法通常应用于电磁学，但是使用该方法设计超材料却是首次。
2.变换光学设计超材料[4]
光学超材料由亚波长单元的均匀阵列所构成，具有设计所需的独特性质。
但当设计拓展到非均匀阵列，将产生更多的特性选择，这为变换光学（TransformationOptics）打开了大门。
与几何光学不同，变换光学的原理，是任何所需的电磁场光滑变形都可以通过对超材料适当的设计来准确实现。
可以操纵亚波长阵列超材料内的电磁场，通过结构设计以任意方式改变电场线和磁场线的传播路径。
比如，设计隐藏物体的隐形斗篷，先指定所需绕过隐藏物体的光路，再用变换光学设计满足光路的超材料参数，如尺度、单元个数、结构和形状。
组成超材料的亚波长单元形成变换光学建构块，在可见光波段，每个单元必须小于400～700nm。
对开发光学超材料而言，变换光学将成为首选设计工具。
三、超材料制备千帆竞发
如何制备大面积的超材料是研究人员关注的首要问题。
依据对中国专利公布公告的检索，在871个超材料主题公告中，超材料制备方法占据96%，可见超材料制备方法的研究正处于百轲争流、千帆竞发的蓬勃发展时期。
目前较为成熟的制备方法包括“图案第一”法、纳米转印法、剥离工艺、立体打印和电子束光刻。
1.“图案第一”法[5]
“图案第一”（Pattern-first）工艺是先制备一种有图案的牺牲层衬底，然后在衬底上重复沉积其他各层。
此法受到超材料总厚度（几十纳米或更小）的限制，因此限制了可以实现的共振类型，以及最终的薄膜功能。
实验表明“图案第一”的薄膜总厚度增加到300nm、沉积5个双层薄膜时，可以产生强烈的特征共振和明显的超材料特征。
2．剥离工艺[5]
2014年5月9日，新加坡科技研究局数据存储研究所验证了一种有前景的新型制备工艺——三层剥离（trilayerlift-off）工艺，可以生产大面积渔网超材料（fishnetmetamaterials）。
大多数光学超材料是由微小的重复金属结构组成。
当有特殊频率的光照在结构上，可在每个结构内建立振荡场。
这些场彼此共振从而产生所需要的集体行为。
渔网超材料通常有几层垂直堆叠的重复单元，分布在较大的横向尺度上。
因为在垂直和水平方向都有结构，被称为3维材料。
为实现上述结构，研究组采用了一种被称为三层剥离（trilayerlift-off）的工艺，在二氧化硅（SiO2）层上附着一个有图案的光刻胶牺牲层，在SiO2层下面涂复第2层光刻胶层。
通过交替的图案形成和蚀刻步骤，实现了薄膜厚度大大超过薄膜上光刻的横向图案尺寸。
三层剥离技术可以帮助研究人员更容易设计和制备出大面积3维纳米器件，使超材料应用成为现实。
此工艺通常用于工业界很少用于实验室。
3．纳米转印法[6]
2014年第3期《先进光学材料》介绍了美国中佛罗里达大学光学和纳米技术专家们的研究成果——工作在可见光谱的长列多层3维超材料。
通过使用纳米转移印刷（nanotransferprinting）法，可以改变周围物体折射率从而控制光的传播。
纳米转印技术制备了金属/电介质复合薄膜材料，具有纳米图案的薄膜相互层叠形成3维结构，能够在可见光谱范围工作。
大面积制备超材料再跟随一个简单的印刷工艺，可以实现基于设计的纳米级光学响应新型器件。
4．立体打印技术[7]
2014年4月，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所公开了一种立体打印技术制作3维周期结构超材料的方法。
这种属于微细加工和微波技术领域的制备方法，解决了现有制作超材料方法中精度差、耗时长的技术问题。
此方法利用3维建模软件分别建立超材料中金属材料结构的3维CAD模型和树脂材料结构的3维CAD模型，再将3维CAD模型转换成STL格式文件，输入双材料立体打印机，采用不同材料同时打印超材料的金属材料结构和树脂材料结构，得到3维周期结构超材料。
此方法可以制作任意三维周期单元任意面型的超材料，具有制作精度高、速度快、工艺简单的特点。
5．电子束光刻[8]
2014年3月，新加坡南洋理工大学提供了一种生成在可见光-红外范围内可操作的超材料方法。
具体步骤包括：
①在基板上沉积导电材料层；②在导电材料层上形成电子束光刻胶层；③利用电子束光刻使光刻胶层图案化以形成有图案的基板；④将贵金属层沉积在有图案的基板上；⑤除去光刻胶。
此方法提供了一种在可见光-红外范围内可操作的超材料，此超材料在基板上具有约20～40nm的最小线宽的裂环谐振器。
此外，这种方法还提供了一种用于化学或生物传感的透明光子器件或传感器，此透明光子器件或传感器包含所述超材料。
2015年6月27日报道美国研究小组已经开发出一种二维“双曲表面超材料”，可表现出负折射率等超材料的典型性质。
据该研究小组发表在《自然》期刊（2015年6月12日出版）的研究结论，在集成光子电路尺度，这种材料的光学损耗比普通超材料低2个数量级。
除了具有低损耗和无衍射传播的特性之外，这种新的表面材料还能够控制可见光波长和反射路径。
该研究小组认为，这项工作“打开了了解集成光学电路的大门”，在成像、传感和量子信息领域具有广泛的应用前景。
超材料所具有的独特光学性能和非凡应用前景在几十年前就已经为人所知，但要在芯片尺度上应用这些特性则是巨大的挑战。
体超材料（Bulkmetamaterials）在各种情况下都难以集成到平面光子芯片上，且表现出较高的传播损耗，光能量有很大一部分被超材料的金属成分所吸收。
解决传播损耗问题的一种可能方案是所谓的“双曲表面超材料”（hyperbolicmetasurface），这种材料具有强烈的各向异性，允许电磁波能量以表面等离激元（SPP）波的形式沿金属-电介质表面传播。
这种二维表面超材料更容易集成到平板光子电路中，不仅比体超材料具有更低的传播损耗，且保留了超材料的负折射率性能。
但长期以来，这种材料主要存在于理论研究，还未在可见光频率下进行过试验测试。
为了将理论变为现实，哈佛大学亚历山大教授与美国光学学会学生会员罗伯特·德福林研究小组利用溅射沉积形成单晶银膜，然后利用精密电子束光刻和等离子刻蚀等手段将银晶体切割成纳米脊线，从而将可见光精确调谐为沿银-空气界面传播的SPP波。
根据预测理论，耦合激光以SPP波沿超表面传播时，能量损耗仅为在体超材料中传播损耗的1/100。
研究小组演示了这种低损耗材料的负折射率性能。
或许更引人注目的是，这种材料的折射率与波长相关：
在波长大于540纳米时，材料具有正折射率；当波长小于540纳米时，折射率变为负数。
在该研究小组的另一个实验中，他们发现了一种“新的光学现象”，光线在这些材料中是向左折射还是向右折射取决于波长，这就是所谓的“表面等离激元自旋霍尔效应”。
2
图罗伯特·德福林提供的光折射演示图片
纳米尺度的双曲超表面银晶体膜结构（上排图）；波长小于540纳米时，光线负折射传播（中排图）；波长大于540纳米时，光线正常折射传播（下排图）。
论文作者之一德福林表示，这种表面超材料结合了低损耗和二维几何形状特性，有望“开辟芯片级光路控制的新途径”，甚至在单光子条件下也可能实现。
演示实验中虽然采用了银-空气界面，但研究小组相信能够找到适用于其他材料和通用技术的一般方法，从而给半导体工业界带来革命。
如何才能真正捕获光线?
英国科学家的一项最新研究，从理论上提出了让光减速到停滞的方法。
在2007年11月15日出版的《自然》杂志上，英国萨里大学的物理学家欧特温一赫斯与其同事公布了他们的这项最新成果。
赫斯称．要将运行速度为6．7亿英里每小时的光截住绝对是一件壮举，科学家们为此已经进行了数年的研究。
为了应对这个挑战，赫斯与其同事一道设计出了一个理论方法，使用一种属性由结构而非成份决定的“超材料”将光截留住。
“超材料”是一种人造的电磁一光学材料，即在透明材料中置入一些微型的金属包含物。
凭借其“负折射率”的特性，“超材料”成为了截留光的理想材料。
绝大部分材料，如玻璃和水的折射率为正，意味着光基本上还是朝同一方向运动。
“超材料”的负折射率特性使得光在一定程度上按原方向折回．这样一来，光的运行速度就慢慢地减缓下来，直至停止。
实验研究中，赫斯等人模拟研究了一种特殊模式的光在穿过一种波导（将光波引向特定方向的结构）时会受到怎样的影响。
该波导是将这种“超材料”夹在两种普通材料中间形成的“三明治”结构，且一端宽一端窄，以使光的不同波长停留在不同点上，实现“当每个频率成分都被截留时，所有光波的分布呈立体状”，在“超材料”上形成一道“彩虹”。
结果发现，该光波的波群速度（不同频率的波的合成在介质中传播的速度）依赖于波导的厚度。
该发现意味着可以通过改变波导厚度来控制光线的波群速度。
如果波导厚度恰好达到令波群速度为零的临界点，那么光线就会停下来。
毫无疑问，波导临界厚度是随着光线波长改变而改变的。
研究人员提出，对日光来说．一个合适的楔形波导就能满足各种波长。
波长较短的蓝光可以被波导较厚的地方捕获，波长较长的红光则由较薄的地方负责。
研究人员表示．一个55微米长、厚度从0．8微米到1．4微米的楔形波导就可以实现“捕获彩虹”。
目前．赫斯的设计还只停留在理论阶段，要真正实现光的截留，科学家们就必须努力研发并使用纳米材质的“超材料”。
尽管这样一种材料听起来有些“科幻”，但奇异的“超材料”发现都是从一些看似不可思议的理论诞生出来的。
比如，负折射率材料从提出到发现仅用了短短6个月的时间．
赫斯表示．一旦光可以被截留住，就将掀起数据流和数据储存领域的革命。
目前，因特网在面临如何加速数据流方面能力有限，因为“过量的数据常常在同一时候抵达某些点”。
假设数据是通过光子而非电子传输，那么根据赫斯的理论，就可以通过给光子设置限速，使某些频率的数据传输减速，以便其它数据通过。
这样一来，就可以提高数据处理效率，使因特网具有更大的数据容量。
由于光学装置天生就具有难以置信的高带宽，因此。
截留光的方法使得光子可以被储存，从而芯片上可以储存海量数据。
使光子停止．操纵光子以便把信息输入光子，然后根据需要再将光子发往某地以及某时再发。
这种可能性使人们看到了新一代计算机的曙光，可以预见它比目前计算机的功能要强大几千倍，这就是所谓的量子计算机。
此外，利用它可开发将不可见的红外线转换为肉眼可识别的可见光的技术、减少通信系统中的噪音以及研制性能更好的视频显示和夜视装置等。
【小题1】根据文意，下列关于“捕获彩虹”的解释，正确的一项是
A．“捕获彩虹”，是由英国科学家欧特温一赫斯与其同事共同实现的一项最新研究成果。
B．“捕获彩虹”，就是指用人工的方法将光线减速到停滞。
C．在具备“超材料”因素的条件下，“捕获彩虹”还要求波导的形状和厚度适中。
D．如果能让多种频率的光线减速并停留在波导的不同点上，就可以实现“捕获彩虹”。
【小题2】下列对实现光的截留将会带来的技术应用，理解不正确的一项是
A．将给因特网的数据传输方式带来革命性的变化，即变电子传输为光子传输，提高数据处理效率。
B．将使得光子可以被储存，芯片上可以储存海量数据，从而带来难以置信的高带宽。
C．将给开发出新一代功能强大的计算机一一量子计算机带来可能。
D．将使不可见的红外线无可遁形，使通信系统中的噪音大幅减少，使视频显示性能更好等。
【小题3】下列说法，不符合文章内容的一项是
A．电子传输数据，使过量的数据常常在同一时候抵达某些点，限制了因特网在加速数据流方面的能力。
B．光的传播速度不是一成不变的，而是在不同的介质中有着不同的速度。
C．波导的临界厚度就是使光线速度为零的临界点，它是随光线波长的长短而改变的。
D．“超材料”的属性是由结构而非成份决定的，也就是将“超材料”夹在两种普通材料中间形成“三明治”结构，从而将光截留住。
“超材料（metamaterials）”：
超越天然材料的自然极限
摘要
“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。
从本质上讲，metamaterial更是一种新颖的材料设计思想，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
迄今发展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。
超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。
关键词：
超材料，材料设计，左手材料，光子晶体
1、“超材料（metamaterials）”的基本定义
“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。
拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。
对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。
但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。
在互联网上颇有影响的维基百科（Wikipedia）上，对metamaterial一词是这样解释的：
Inelectromagnetism（coveringareaslikeopticsandphotonics）,ametamaterial（ormetamaterial）isanobjectthatgainsits（electromagnetic）materialpropertiesfromitsstructureratherthaninheritingthemdirectlyfromthematerialsitiscomposedof.Thistermisparticularlyusedwhentheresultingmaterialhaspropertiesnotfoundinnaturallyformedsubstances.
这一解释可能是迄今对metamaterial这一概念给出的最符合科学规范的定义，尽管这一定义从目前的观点看过于狭隘（该定义似乎只针对电磁领域的材料，而实际上，最新的研究metamaterial已经包括一些声学材料）。
从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征：
（1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；
（2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；
（3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。
目前人们已经发展出的这类“超材料”包括光子晶体、左手材料、以及超磁性材料等等。
2、从“灵光一闪”到重大突破
尽管metamaterial的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。
1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（VictorVeselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。
然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的预言未能得到科学界的重视，到了20世纪90年代，Veselago的猜想几乎被人遗忘。
直到20世纪90年代中后期，英国物理学家JohnB.Pendry的工作使韦谢拉戈物质的研究出现了柳暗花明的前景。
Pendry将metamaterial的思想（尽管当时metamaterial一词未被使用）引入了负介电常数和负磁导率的材料的构造。
他的一个创新性思路是，一种材料，不仅仅只认为是一个均匀的块体，它还可以拥有一些细小的单元。
换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构单元中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。
基于这样的思想，Pendry先后提出了可能具有负介电常数和负磁导率的结构单元。
在此基础上，美国科学家DavidR.Smith等人从实验上实现了这些结构单元的负折射。
Metamaterial一词，连同具有负折射的“左手材料”一起引起了世界科学界的关注。
与“生不逢时”的左手材料相比，另一类超材料――光子晶体的诞生和发展则幸运得多。
1987年，两位美国科学家分别根据各自在不同角度的研究，同时提出了一类在光的波长尺度具有周期介电结构的超材料――光子晶体（photoniccrystal）以及与其对应的光子带隙（photonicbandgap）的概念：
E.Yablonovitch从抑制自发辐射的角度提出了这一概念的，而S.John则是光子的局域化角度提出的。
由于这一突破给光子技术带来的应用前景，两位科学家的工作很快得到了世界各国科学家的强烈响应，并掀起了光子晶体的研究热潮。
到1998年和1999年底，由于光子晶体的研究在多方面取得突破，与光子晶体相关的研究两度被Science杂志列为当年世界上的“十大科学进展”，并被该杂志评为预测为未来的六大研究热点之一。
事隔7年以后，当光子晶体领域轰轰烈烈的淘金热刚刚有所降温的时候，Science杂志又于2006年底再次将光子晶体列为未来的自然科学的热点领域。
而另一类超材料――左手材料则是在2003年被Science杂志列为当年的“十大科学进展”。
三年后的2006年底，由于英美两国科学家利用与左手材料的设计方法相类似的梯度超材料成功实现了“隐身斗篷”的功能，Science杂志又一次将其列为当年的“十大科学进展”。
众所周知，当今自然科学界受到较多关注的重大突破较多来自生物及医学领域，而物理学和材料科学领域则不是热点。
而超材料的突破在近几年中能受到整个科学界持续的关注，其科学意义不言自明。
3、崭新的设计理念
“超材料”重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，也体现在它提供了一种全新的思维方法――这种思维方法对材料科学家来说是非常宝贵的，因为它为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：
昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。
基于“超材料”观念的材料设计方法是多种多样的。
事实上，早在metamaterial的观念出现以前，甚至韦谢拉戈突出左手材料的设想以前，人们已经有过非常类似的尝试。
一个典型的例子是多层陶瓷电容器（MLCC）。
多层陶瓷电容器是70年代发明的一种电子元件。
它是有陶瓷介质层和内电极交叠而成，相当于多个电容并联在一起，或使电容器的电极面积增加了若干倍。
众所周知，对于平板电容器，其电容量与其中的电介质材料的介电常数、电极面积成正比，而与电容器厚度成反比。
因此，如果我们不把多层陶瓷电容器看成是一个多层器件，而仅仅看成是由具有某一介电常数的陶瓷介质构成的单层平板电容器，即把其中的多层结构看成是一种“材料”（事实上是超材料），则该“材料”的表观介电常数可高达陶瓷介质的n2倍。
这种结构的设计中，事实上也包含了metamaterial的设计思想，只是把没有最终的多层结构看成是一种“材料”，而是将其视为“器件”。
随着材料技术的发展，“材料”的观念也在变化――以往人们“材料”的认识往往是“原材料”，而今天人们所研究的先进材料，很多都是具有在一定尺度上的结构调控。
由此，广义的讲，可以吧MLCC中的多层结构本身看成是一种“材料”。
而这种“材料”的性能将是普通材料所无法比拟的。
“超设计”一个较重要的理念是巧妙利用材料中的“关键物理尺度”。
材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物理尺度有关。
一个最直观的例子是晶体。
晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式，它的有序主要存在于原子层次，正是由于在这个尺度上的有序性调制，使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理
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