神奇的电磁超材料

大家好，这里是射频学堂。今天我们一起来学习一款新的电磁材料——电磁超材料。

超材料的英文名字叫做Metamaterial，词根 Meta 就是超出，另类的意思，和 material 组合起来就是 超材料了。一般文献中给出人工电磁材料的定义是“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。”电磁超材料，就是具有反常规材料的特性的人工材料，比如负的介电常数，负磁导率等等，电磁超材料是以人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特性的人工结构材料。

如下图所示：

电磁超材料具有自然界中原有材料所不具备的独特性质，其中出现了许多全新的物理现象。目前关于电磁超材料的物理特性研究，及其在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等领域的应用研究开始成为国际物理学和电磁学界的研究热点。

超材料的发展

电磁超材料最早可以追溯到1967年，前苏联物理学家Victor G. Veselago在理论上提出磁导率和介电常数同时为负的媒质存在，即为左手材料，这一发现被人们认为是电磁超材料的原型。

由于缺乏实验，此理论猜想一直没被关注，直到1996年和1999年J. Pendry等人先后提出实现左右材料的两个关键要素：用细金属线阵列来实现介电常数为负，用开口谐振环阵列来实现负的磁导率。

在2000年，美国的Rodger Walser教授在美国物理学会春季年会上提出“metamaterial”概念，而“meta”在拉丁语中代表“超越”含义，所以被翻译为超材料，这就是电磁超材料名称的由来。随后2001年，美国D. R. Smith教授根据Pendry提出的理论模型在《科学》杂志上发表了左手材料存在的论文，通过棱镜实验验证了这种人工材料具有负折射率特性。

2002年底，麻省理工学院的孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，并称之为“导向介质”，他预言了这种人工材料在高指向性的天线、聚焦微波波束、“完美透镜”、电磁波隐身等方面的应用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大学的科研小组设计、制造了著名的“隐身大衣”，并成功地进行了实验证明。2009年又出现了宽频带的隐身衣。2010年科学家发现了电磁黑洞。

超材料的分类

超材料是一种人工复合材料，也就是这种材料史人造的，自然界中不存在的一种材料，超材料具备这三个特征：具有特殊人工结构，具有特有的物理特性，并且这种物理特性不取决于材料的本质特性而取决于所组成的人工结构。

电磁超材料最初的定义是具有负折射率的材料，也叫做左手材料，即电磁波在左手材料中传播时，电场，磁场和坡印廷矢量呈左手关系，而不是普通介质中的右手关系。最初由Victor G. Veselago 教授提出，并预言了这种材料的特殊电磁特性，如负折射特性，逆Cherenkov特性，逆多普勒特性等，这些特性在后面的实验中一一得到验证。

从侠义上来说，根据超材料的等效媒质特性的不同，可以将分为以下几类：① 具有负介电常数或者负磁导率，从而具有负的折射率，也就是左手材料；②具有零介电常数或者零磁导率，也就是零折射率材料；③，具有很大的介电常数或者很大的磁导率等等。

按照超材料的构成结构不同可以分为：传输线型超材料，波导型超材料，石墨烯型超材料和块型超材料等。

按照工作方式不同可以分为谐振型超材料和非谐振型超材料。谐振型超材料一般工作在谐振频率附近，工作频带比较窄，损耗也比较大；非谐振型远离谐振频率，工作频带比较宽，损耗也较小，但是参数变化范围也小。

超材料的应用

超材料的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出革命性的应用前景得到了世界各国政府、科技界、产业界，以及国防部门的密切关注。美国国防部启动了关于超材料的多项研究计划，美国大型的半导体公司如英特尔、美国超威半导体（AMD）和国际商业机器公司（IBM）等也成立了联合基金资助相关研究。欧盟组织了 50 多位顶尖的科学家聚焦这一领域的研究，并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划，支持至少两个关于超材料技术的研究项目，每个项目的研究经费约为 30 亿日元。超材料的研究和工程化应用在近年来得到了迅速发展。在电磁超材料方面，科学家对各种电磁谐振结构进行了优化，发展出了多种基于金属线和 SRR环的衍生结构以及介质结构的人工原子，并设计研制出了隐身斗篷、完美透镜等新型超材料器件；与此同时，将微纳加工技术引入到了超材料的制备，发展出了可在光学频段下工作的各种超材料和器件。近年来，超材料也从电磁领域逐渐走向了力学、声学、热学以及传质等领域，一系列具有超常性质和奇异功能的新型超材料相继问世。

审核编辑 ：李倩