左手材料的原理性探究

1、左手材料的原理性探究這個不是論文,只能算是一個摘要.也許更像是講述一個學(xué)科發(fā)展的電影的觀后感。雖然很努力的湊字?jǐn)?shù)了，倒還是沒到5000之前還試圖打了一份英文版的,但是發(fā)覺實(shí)在是沒有一點(diǎn)自己的東西,全是拷貝粘貼的,自己想寫英文卻又發(fā)覺不順溜,實(shí)在是沒有辦法,最終就只有老老實(shí)實(shí)地用中文手打一份四不像的東西.由于制作文檔方面是個生手，加上我沒有宣稱這些東西之中有任何我自己的成果，就不管引用注釋之類的麻煩事了。一點(diǎn)歷史回顧:1967年俄羅斯人Veslago最先構(gòu)想出了一種當(dāng)時還不存在的同時具有負(fù)的介電常數(shù)以及負(fù)的磁導(dǎo)率的物質(zhì),在論文中證明了這種材料假如真的存在,會具有很多其妙的特性.之后的幾十年間材料

2、學(xué)迅速的發(fā)展,負(fù)的介電常數(shù),負(fù)的磁導(dǎo)率逐步的被科學(xué)家們在較低頻實(shí)現(xiàn),微波波段乃至可見光波段的左手材料的可能性開始被人們討論。后來人們也逐步的討論了很多左手材料的應(yīng)用,提出了左手材料可以制造超級透鏡,隱身衣。2003年普渡大學(xué)Smith帶領(lǐng)小組制造出了首例微波波段的左手材料2005光學(xué)波段的左手材料在多個大學(xué)幾乎同時實(shí)現(xiàn)。.這個領(lǐng)域正在迅速的發(fā)展壯大之中。微波波段的實(shí)現(xiàn):在較高頻率的波段實(shí)現(xiàn)負(fù)的折射率的關(guān)鍵在于解決負(fù)的磁導(dǎo)率的困難.由于物質(zhì)與電場的耦合強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于物質(zhì)與磁場的耦合強(qiáng)度(這塊的推導(dǎo)一直不是很清楚貌似是使用元電荷與玻爾磁矩之間的關(guān)系證明電場的耦合強(qiáng)度,物質(zhì)與磁場的耦合強(qiáng)度之間的倍數(shù)

3、關(guān)系是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的平方,但是我卻連耦合強(qiáng)度是怎么定義的都不知道)B=e2mec=ea02=1137,所以物質(zhì)在與電磁波相互作用的時候總是以電相互作用為主.用shalev的話說就是原本光是有兩只手的,但是她總是只用一只.我們通過構(gòu)造這種在較高頻率的磁活性結(jié)構(gòu)的意義就在于讓光用上平時藏在袖子里的那只手。另一方面,在金屬光學(xué)的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)其實(shí)負(fù)的介電常數(shù)是相對好實(shí)現(xiàn)的,在高頻率的波段電磁波可以激發(fā)金屬的表面等離子基元(沒學(xué)過固體物理，不懂),在諧振效果下可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的有效介電常數(shù)。在微波波段實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率的一種最有效的結(jié)構(gòu)是開環(huán)諧振器(split ring resonator)其結(jié)構(gòu)圖如下可以粗略的將這種

4、結(jié)構(gòu)的效果理解為一個LC振蕩電路,而這個等效的電容和電感主要取決于諧振器的形狀大小材質(zhì)的參數(shù).在這種粗略的近似之后可以得到一個等效磁偶極矩的近似公式(但是已經(jīng)足以表明這種結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)了):mH=2r40H(022-1)LH為外場的強(qiáng)度, 0為等效電路的諧振頻率, 為外場的角頻率, 0為真空中的磁導(dǎo)率L,r都是結(jié)構(gòu)的參數(shù).由于這種材料是高度的各向異性的結(jié)構(gòu),只有理解為每一格有一個平均的有效磁導(dǎo)率：eff=1+mHVH可以看出在合適的條件下可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的有效磁導(dǎo)率.mH=2r40H(022-1)L在微波波段的負(fù)折射率就這樣實(shí)現(xiàn)了,這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是效能特別高，所以如今在微波波段的隱身材料制作還是以這

5、種結(jié)構(gòu)為主導(dǎo)。但是很不幸,試圖將這種結(jié)構(gòu)小型化來提高工作頻率的努力會失敗,有兩方面的阻礙,一是縮小尺度在材料加工技術(shù)上將會造成很大的困難,二是金屬性質(zhì)在達(dá)到納米尺度之后會有很大的變化，之前的推導(dǎo)之中隱含了電子數(shù)密度近似無窮大,在尺寸縮小到納米尺度之后這一假定不再適合。左手材料的原理實(shí)際上是構(gòu)造各向異性的微結(jié)構(gòu)使得材料的各向異性壓倒電磁波的各向異性，但是尺寸的縮小使得金屬內(nèi)部的各向異性和不均勻性顯露出來。所以我們只有選擇新的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn).光學(xué)波段的實(shí)現(xiàn):依據(jù)金屬光學(xué)的性質(zhì),利用貴金屬在高頻段的等離子體振子基元可以實(shí)現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù),困難還是在于實(shí)現(xiàn)磁場的諧振。研究者發(fā)現(xiàn)在高頻段實(shí)現(xiàn)磁場和電場的同時諧

6、振是非常困難的,所以選擇了另一種策略:使磁場在某一波段諧振而使電場在同一頻率下保持一個負(fù)的”背景”介電常數(shù),一般來說要使特制的磁結(jié)構(gòu)的諧振頻率高于金屬表面等離子基元的諧振諧振頻率,就可以在磁結(jié)構(gòu)的諧振頻率同時實(shí)現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率和負(fù)的介電常數(shù).Podolskiy VA, Sarychev AK, Shalaev VM等人在2002年提出了這種漁網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu):每一個金屬條帶狀的結(jié)構(gòu)都是多層金屬-電介質(zhì)-金屬的夾層。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的小孔是由精密的方法蝕刻出來的,現(xiàn)在可以做到直徑100nm以下.由于蝕刻的工藝使得條帶狀的結(jié)構(gòu)截面呈梯形,具體來說的諧振機(jī)制挺復(fù)雜,只有在這里大體的敘述一下在每個孔的周圍的條帶都形

7、成了這種梯形的截面，而梯形截面內(nèi)部在外場的作用下會形成非對稱的電流，而這個非對電流為什么會形成一個電流環(huán)，我至今還是不懂，貌似并不只是電磁感應(yīng)就可以解釋得了的，但是還是記下來吧，那本導(dǎo)論里面對這個問題是一帶而過，具體去找最初提出的論文的時候用了一堆很高深的固體物理理論，所以我就沒看懂，但是大致知道是那么回事，如下如所示：顏色顯示的的是磁場，箭頭代表電場。左圖是未諧振的狀態(tài)，右圖是諧振的狀態(tài)。這個確實(shí)是很抱歉，沒有最終打穿這個東西。之后偏向于應(yīng)用（完美成像）:我主要來講左手材料實(shí)現(xiàn)超級透鏡。再近場光學(xué)領(lǐng)域,其實(shí)已經(jīng)有一種很強(qiáng)大的觀測工具,那就是近場光學(xué)顯微鏡,它與左手材料制成的超級透鏡的基本原理

8、都是捕捉隱失波所帶走的高頻信息.隱失波帶走了幾乎所有的尺寸低于光線波長的信息,近場光學(xué)顯微鏡使用探針獲取樣品表面的隱失波,確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)很高的精度,但是有一個重大的缺點(diǎn),就是在使用過程之中必須向掃描隧道顯微鏡那樣以數(shù)納米的步長來回移動探針,這就意味著最終所獲取的圖像其實(shí)不是一個時刻的.這對于觀察某一個微觀過程就不夠了.而這種完美成像的透鏡解決了這一難題.這種透鏡與常見的透鏡不同之處在于它沒有曲率,不能匯聚平行光,它只適用于近場條件,針對的就是樣品上每一個點(diǎn)發(fā)出的球面波.在演講的時候推導(dǎo)過了現(xiàn)在再推一遍:由于考慮到讀者的水平，詳細(xì)的敘述會顯得很多余，我就不詳細(xì)的翻出全部的公式了。先是，由傅里葉光學(xué)

9、的知識導(dǎo)出在余弦光柵的空間頻率大于入射光波的波數(shù)的時候，加上強(qiáng)制的邊界條件的限制會導(dǎo)致出現(xiàn)虛的波矢，這就是衍射場的超精細(xì)結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致隱失波的原因。隱失波會隨著空間的平移迅速的指數(shù)衰減，大概五個波長的距離就會衰減到百分之一以下，在使用普通的透鏡的時候就會衰減的一點(diǎn)都不剩。所以使用再大的透鏡也是收集不到隱失波的信息的。而使用左手材料的透鏡能夠從根本上解決這個問題。如下圖所示:這個是由在2000年提出的,折射率為-1的左手材料,將入射光線的波矢變?yōu)樨?fù)值，可以放大隱失波分量,重要的是經(jīng)過了左手材料的指數(shù)放大再在透鏡和像之間衰減在像點(diǎn)處的隱失波在相位,振幅上都會與源點(diǎn)處的完全一致。于是這就實(shí)現(xiàn)了完美的成像

10、。理論上說這種透鏡的分辨率僅僅受限于電子元件的信號處理.大概可以達(dá)到10nm的量級，。但是就我個人觀察：這還是有一定的缺陷,近場的限制也就是樣品幾乎得放在透鏡上面才能夠工作，而成像的位置與透鏡的距離與物距一樣近。這個在制作上還是有較大的困難、這種透鏡的最大限制在于,對于不同顏色的光,它不能保證折射率都統(tǒng)一為-1,也就是說還是會出現(xiàn)色散,而且對于不同顏色的光的成像位置和放大倍數(shù)都不同。還有就是左手材料本身的各向異性使得不同方向入射的光線的折射率略有差別所以還是有一些實(shí)際的限制（事實(shí)上，如果光線的磁場分量與微孔垂直，就會導(dǎo)致無效，三維的左手材料只在某一個方向上看才是真正的左手材料），當(dāng)然,這也是沒

11、有辦法的,我想這大概也就是光學(xué)成像的極限了(雙光子什么的更高端的手段沒考慮過)展望:引用的話說就是:電磁波在某種角度來看很像水,但是人類對電磁波的操作其實(shí)還處在很初級的階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如操控水那樣自如。設(shè)想一下有一天我們把各種頻段的電磁波裝在容器里,把它凍起來,把它倒出來,把它們做成各種形狀讓它按照我們希望的方式流過某一區(qū)域。我想這就是光學(xué),光學(xué)材料的未來,而左手材料將會是其中的重要組成部分.后記:做這個“科研”大致只耗費(fèi)了我60個小時左右的時間，所以它就算不上正經(jīng)科研，至于可憐的收獲就在這里總結(jié)一下：最初開始的時候選擇這個課題的時候的動因是想要弄明白波場建立的過程：“波的傳播方向與能流方向相反，

12、那么最初是怎么建立波場的？”翻了很多書之后才發(fā)覺這個問題實(shí)際上是一個偽命題，左手材料的結(jié)構(gòu)決定了其中并沒有我們一般所理解的連續(xù)的波場，所有的傳播過程是一個吸收-諧振-釋放的單元結(jié)構(gòu)之間的傳遞過程。而這個波場的建立過程在幾乎所有文獻(xiàn)中都沒有提及因?yàn)榇_實(shí)不重要。而且確實(shí)很麻煩。一個學(xué)生問了一個挺奇怪但是卻沒有價值的問題。翻了一些書知道了一些之前不感興趣的知識，卻發(fā)覺自己最初的感興趣的問題根本就不是問題。補(bǔ)充一下：這個領(lǐng)域之中貌似中國人挺多。而且時間越往后越多，大概是隱身材料那塊，軍工的價值較高，上頭的支持較為充足。唉，之后的內(nèi)容為湊字?jǐn)?shù)的感想，可以掠過：本人其實(shí)一直是很想搞理論的，一直以為除了那些

13、很漂亮優(yōu)雅的公式定理以外的東西都不是物理，一直覺得不能在紙上算出來的都是“匠氣”，沒有解析解就難受。以前，剛到物理學(xué)院的時候，有一個很牛的學(xué)長對我們說：“所謂的物理就是像是玩玩具，所有的理想狀態(tài)比如無限深勢阱，剛體，質(zhì)點(diǎn)都是我們大腦的玩具，如果你們確實(shí)覺得一輩子把人當(dāng)質(zhì)點(diǎn)，把關(guān)節(jié)當(dāng)鉸鏈也挺開心的話，就走下去吧?！睂W(xué)了一年多物理之后，對這些的感覺更加深刻了。海德格爾說過：“當(dāng)你把教材，筆記燒掉，把應(yīng)考總結(jié)忘掉，把做的習(xí)題扔掉之后剩下的才是你學(xué)到的東西?！币源藶闃?biāo)準(zhǔn)我的力學(xué)只學(xué)到了牛頓三定律，電磁學(xué)只學(xué)到了麥克斯韋方程組，以此為標(biāo)準(zhǔn)我的數(shù)理方法大概是什么都沒有學(xué)到。那我的光學(xué)學(xué)到了什么？不太清楚，

14、如果將來不搞光學(xué)的話，可能很多年過去之后，只剩下惠更斯原理，復(fù)振幅之類的。但是有一些事還是不會忘的：比如期中考砸了，比如搞過這么一個無頭無尾的“調(diào)研”。我在這個過程中看見了自己的傲慢，以及它的后果。愚蠢并不是生存的障礙，傲慢才是。雖然在在學(xué)分上有差別，在考試的要求上有區(qū)別，但是知識在最初學(xué)的時候都是平等的，在未來用的時候也是平等的，你不知道將來會不會靠某些你現(xiàn)在不感興趣的東西混飯吃。物理的核心并不是讓你看見每一道題都會做，而在遇見不會的問題的時候知道該到哪找到答案。如果燒掉我的書和筆記，扔掉我的習(xí)題，我還敢說自己是學(xué)物理的嗎？不好說，但是如果有一天，我真的學(xué)會了像一個物理學(xué)家一樣思考，像物理學(xué)

15、家一樣，我想，我會理直氣壯地給予肯定回答。Reference List:1.Wenshan Cai and Shalaev”O(jiān)pptical Metamaterials” 2. V. G. VESELAGO “ THE ELECTRODYNAMICSOF SUBSTANCESWITH SIMULTANEOUSLYNEGATIVE VALUES OF e AND mu”left handed materials can makePhysical Review Letters4. Costas M. Soukoulis,* Maria Kafesaki, and Eleftherios N. Economou,”Negative-Index Materials: New Frontiers in Optics”,Advanced materials5.Shalaev, “Optical negative-index metamaterials”,nature-Photonics6.Shalby, “Microwave transmission through a two-dimens