超材料研究進(jìn)展概論

胡亞杰 宋坤 羅洋

摘要：超材料（metamaterials）以其獨(dú)特的電磁性質(zhì)受到科研工作者的熱切關(guān)注，已被用于電磁學(xué)、光學(xué)、地震學(xué)、傳感、天線工程等諸多領(lǐng)域，尤其是超材料所具有的高品質(zhì)因數(shù)Fano諧振在高靈敏度傳感、探測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。隨著超材料科學(xué)的發(fā)展，為了更好地契合實(shí)際應(yīng)用，人們又提出了一種新的超材料一超界面（metasurfaces）。超界面是一種二維結(jié)構(gòu)的超材料，與傳統(tǒng)的塊狀超材料相比，其具有剖面低、制作工藝簡(jiǎn)便、易于集成等優(yōu)勢(shì)，因而吸引了研究者的極大關(guān)注，并且已經(jīng)成為超材料領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。手性的概念由來(lái)已久，但是手性超材料是在2004年經(jīng)過(guò)Pendry論證后，才開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。與左手超材料不同，手性超材料通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有強(qiáng)的手性即可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，因此一種設(shè)計(jì)負(fù)折射超材料的簡(jiǎn)便方法被提出，手性超材料的研究受到科研工作者的廣泛關(guān)注。

關(guān)鍵詞：超材料；左手超材料；Fano諧振超材料；手性超材料

超材料是一種具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合微結(jié)構(gòu)。超材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸一般遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，當(dāng)電磁波入射時(shí)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元就相當(dāng)于一個(gè)人工“原子”，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)，可以得到人們想要的任何等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，這些特點(diǎn)可以用有效媒質(zhì)理論進(jìn)行解釋。

1 左手超材料

1.1 左手超材料的概念

電磁波在介質(zhì)中傳播的時(shí)候是滿足麥克斯韋方程組的。如果介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)大于零，那么電磁波的波矢k、電矢量E和磁矢量H構(gòu)成右手螺旋關(guān)系；如果介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)小于零，根據(jù)1967年，前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家Veselago的研究得出以上三個(gè)矢量就構(gòu)成左手螺旋關(guān)系，Veselago把這種具有負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的介質(zhì)稱為左手超材料[1]，它具有負(fù)相速度、負(fù)折射率、理想成像、逆多普勒頻移、反常Cerenkov輻射等奇異的物理性質(zhì)。經(jīng)過(guò)30多年，Pendry等人利用金屬環(huán)桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)的折射率[2]，從此超材料的研究受到越來(lái)越多科研工作者的關(guān)注。

1.2 左手超材料的性質(zhì)

與自然界中存在的材料相比，左手超材料具有很多反常電磁特性，如負(fù)折射現(xiàn)象、反常Cherenkov輻射、反常Goos-Hanchen位移、反常Doppler效應(yīng)等。

1.2.1 負(fù)折射現(xiàn)象

電磁波人射到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，這可以用Snell定理描述：

n1sinθ1=n2sinθ2 （1-1）

當(dāng)界面的一側(cè)為介電常數(shù)與磁導(dǎo)率大于零的常規(guī)介質(zhì)，另一側(cè)為介電常數(shù)與磁導(dǎo)率均小于零的左手超材料時(shí)，根據(jù)Snell定理可知折射光線與入射光線都是處在界面法線的同側(cè)的，也就是說(shuō)此時(shí)的折射角為負(fù)值，因此將其稱為“負(fù)折射現(xiàn)象”。

1.2.2 反常Goos-Hanchen位移

正常Goos-Hanchen位移指光波在兩種介質(zhì)的分界面發(fā)生全反射時(shí)，反射光在界面上相對(duì)于幾何光學(xué)預(yù)言的位置有一個(gè)很小的側(cè)向位移，且該位移沿光波的傳播方向。對(duì)于左手材料而言，這個(gè)位移是沿光波傳播的反方向，從而稱為反常Goos-Hanchen位移。

1.2.3 反常Doppler效應(yīng)

在高中時(shí)就已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)Doppler效應(yīng)，即波源和觀察者發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，若二者相向而行，觀察者接收到的頻率會(huì)升高，否則會(huì)降低。在左手材料中電磁波的相速度和群速度方向相反，因此如果二者相向而行，觀察者接收到的頻率會(huì)降低，反之則會(huì)升高，稱為反常Doppler效應(yīng)。

1.3 超界面的發(fā)展

隨著超材料的研究從微波波段跨入可見(jiàn)光波段，復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)模型很難以現(xiàn)有的微納米制造工藝制備，同時(shí)損耗導(dǎo)致超材料的品質(zhì)因素大幅降低，所以研究具有平面結(jié)構(gòu)的高品質(zhì)因素諧振單元以及尋找低損耗的光波段材料就顯得尤為重要。因此，人們提出了二維或準(zhǔn)二維的超材料，這就是超界面（Metasurfaces），超界面除了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝上采用平面或共形技術(shù)以外，更重要的是其展現(xiàn)出與三維各向同性超材料不同的物理性質(zhì)以及界面光學(xué)效應(yīng)。

由于超界面具有低剖面、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，其自提出后就成為科學(xué)界的又一研究熱點(diǎn)。而微波段超界面由于制備簡(jiǎn)單、加工方便，同時(shí)在新型天線、濾波器、通信、透鏡等領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值而掀起研究熱潮。Pfeiffer等提出了一種無(wú)反射的高效惠更斯超界面[3]，可以實(shí)現(xiàn)波前的任意調(diào)整，實(shí)現(xiàn)波束偏折、聚焦、極化等。

2 Fano諧振超材料

Fano諧振通常來(lái)自于兩個(gè)或多個(gè)諧波振動(dòng)模式的干涉效應(yīng)，這些干涉效應(yīng)能使人工電磁材料對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)或者外部折射率改變異常敏感。 2015年，Song[4]等設(shè)計(jì)了一種單層Si納米棒結(jié)構(gòu)的超材料如圖2-1所示，在這種結(jié)構(gòu)中Si納米棒的寬度存在周期性擾動(dòng)，如：w=370nm，400nm，420nm，450nm。研究表明，單層Si納米棒超材料具有尖銳的Fano諧振。經(jīng)仿真計(jì)算，這種基于FP寬頻諧振和四極模式的強(qiáng)的耦合可以獲得極高品質(zhì)因數(shù)，這種單層Si納米棒結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)可達(dá)到360000根據(jù)麥克斯韋方程組的可擴(kuò)展性，該單層結(jié)構(gòu)的Fano諧振還可以擴(kuò)展到其他頻段，如太赫茲和微波頻率。

3 手性超材料

3.1 手性超材料的概念

手性是對(duì)物體結(jié)構(gòu)特性的一種描述，這種結(jié)構(gòu)與它的鏡像不能夠重合。早在1811年，Arago就在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象，讓一束線極化光通過(guò)石英晶體，射出光波的極化平面居然發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。接著，Biot發(fā)現(xiàn)這種奇特的光波極化旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象在酒石酸的溶液中也能夠出現(xiàn)。之后，Pastuer[5]解釋了這種旋光性是由于材料的原子排列不能與它的鏡像構(gòu)成對(duì)稱分布。

手性超材料與傳統(tǒng)的左手超材料不同，手性超材料的設(shè)計(jì)并沒(méi)有按照之前左手超材料的方式使材料單獨(dú)實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，而是通過(guò)設(shè)計(jì)手性結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)的強(qiáng)手性效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生負(fù)折射率。

3.2 手性超材料的性質(zhì)

3.2.1 實(shí)現(xiàn)負(fù)折射

2012年，Zarifi[6]等人提出一種雙頻和多頻的手性超材料結(jié)構(gòu)，如圖3-1所示。這種手性超材料由共扼希臘十字構(gòu)成，3-1（a）為雙頻手性超材料結(jié)構(gòu)示意圖，（b）為雙頻實(shí)驗(yàn)樣品圖。雙頻結(jié)構(gòu)是兩個(gè)長(zhǎng)度不同的銅共軛十字分處介質(zhì)基板的兩面構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)具有四重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，但不存在鏡面對(duì)稱平面。圖3-1（c）為三頻的手性超材料結(jié)構(gòu)示意圖。

3.2.2 超強(qiáng)的極化旋轉(zhuǎn)能力

手性超材料可以用來(lái)改變電磁極化旋轉(zhuǎn)，人們利用這一特性設(shè)計(jì)出具有不同用途的手性超材料器件。早期，Rogacheva[7]等人設(shè)計(jì)了一種雙層平面手性超材料，這種手性超材料上下兩層的結(jié)構(gòu)相互扭轉(zhuǎn)。研究結(jié)果表明，這種手性超材料所表現(xiàn)出的極強(qiáng)的極化旋轉(zhuǎn)能力，主要是由于上下兩層金屬結(jié)構(gòu)的電磁藕合引起的。2012年，Zhou[8]等人設(shè)計(jì)了一種可調(diào)諧的手性超材料。

3.2.3 非對(duì)稱透射特性

電磁波非對(duì)稱透射特性在通信中有著重要的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)的手性超材料可以使電磁波選擇性通過(guò)，為手性超材料的應(yīng)用拓展了新領(lǐng)域。

2016年，xu[9]等設(shè)計(jì)的手性超界面，在微波段既能實(shí)現(xiàn)線極化的非對(duì)稱透射，也能夠?qū)崿F(xiàn)圓極化的非對(duì)稱透射。這種基于半希臘十字型和H型的手性超界面結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

參考文獻(xiàn)：

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