超材料研究應用介紹

甘光松 趙志根

【摘要】超材料領域研究，對國防建設和國家發展具有十分重要的戰略意義，是未來科技競爭的核心。因此，要廣泛普及相關知識，引起高度關注，集中力量突破關鍵領域研究，在新興科技競爭中占得一席之地。

【關鍵詞】超材料;左手材料;光子晶體;研究應用

我國在電磁黑洞、超材料隱身技術、介質超材料以及聲波負折射等基礎研究方面取得了多項成果，在世界超材料產業化競爭中占得先機。那么，何為超材料，超材料到底有著怎樣的研究應用前景呢？

一、超材料的概念及分類

超材料是指一些具有人工設計的結構，并呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料，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，它的奇特性質源于其精密的幾何結構以及尺寸大小。其微結構大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。超材料是一個跨學科的課題，囊括了電子工程、凝聚態物理、微波、光電子學、經典光學、材料科學、半導體科學以及納米科技等。超材料的奇異杼性使它具有廣泛的應用前景，比如高接收率天線、雷達反射罩甚至是地震預警等。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”是指一種介電常數和磁導率同時為負值的材料。電磁波在傳播時，波矢K、電場E和磁場H之間的關系符合左手定律，因此稱之為“左手材料”。

（二）左手材料的特點

左手材料具有負相速度、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?！白笫植牧稀鳖嵉沽宋锢韺W的“右手規律”，而后者描述的是電場與磁場之間的關系及其波動的方向。由于“左手材料”的顯著特點是它的介電常數和磁導率都是負數，所以被稱之為“雙負介質”材料，通常也被稱為“負折射系數材料”，或簡稱“負材料”。

（三）左手材料的應用前景

根據左手材料的奇異特性，科學家已預言其可以應用于通信系統以及資料儲存媒介的設計上，用來制造更小的移動電話或者是容量更大的存儲媒體，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。

（四）左手材料的發展趨勢

左手材料存在的困難是：材料制造技術制約了產業的發展，仿真手段不足，一些電磁規律認識不足等問題。其未來發展趨勢是：①利用橫向磁化的鐵氧體磁性材料在一定范圍內可以實現負的磁導率特征;②采用LDS技術制造金屬導電圖案，實現智能制造，綠色制造;③采用增材制造（3D打印技術），實現左手器件低頻化、寬帶化;④左右手材料相結合制造左手器件;⑤左手單元之梯度材料的空間排列，實現電磁波調控。

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結構，也稱PBG光子晶體結構。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構中傳播，即這種結構本身存在“禁帶”。光子晶體概念最初是在光學領域提出的，其研究范圍已擴展到微波與聲波波段，由于這種結構的周期尺寸與“禁帶”的中心頻率對應的波長可比擬，所以這種結構在微波波段比在光波波段更容易實現。光子晶體和半導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計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的，光子晶體的出現，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。按照光子晶體的光子禁帶在空間中所處的維數，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

簡單地說，光子晶體具有波長選擇的功能，可以有選擇地使某個波段的光通過而阻止其他波長的光通過。

光子晶體是由不同折射率的介質周期性排列而成的人工微結構。從材料結構上看，光子晶體是一類在光學尺度上具有周期性介電結構的人工設計和制造的晶體，與半導體晶格對電子波函數的調制相類似，光子帶隙材料能夠調制具有相應波長的電磁波，當電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調制，電磁波能量形成能帶結構，能帶與能帶之間出現帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內的光子，不能進入該晶體。

（三）光子晶體的應用前景

光子晶體的引入為微波領域提供了新的研究方向。光子晶體完全依靠自身結構就可實現帶阻濾波，且結構比較簡單，在微波電路、微波天線等方面均具有廣闊的應用前景。未來，光子晶體將會被廣泛應用，如將會制造出高效光子晶體激光發射器、高亮度的發光二極管、光子晶體邏輯電路、光子晶體光纖以及由光子晶體驅動的光子計算機等。

（四）光子晶體的發展趨勢

光子晶體廣泛應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。光子晶體未來發展趨勢是：①與納米技術相結合，用于制造微米級激光、硅基激光;②與量子點結合，使得原子和光子的相互作用影響材料的性質，從而達到減小光速、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現等。