左手材料特性研究论文

导读

背景

超材料（metamaterial），通常是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。举例来说，超材料可以操控光波、声波、电磁波等，使它们改变通常的性质，这样的效果是普通材料所无法实现的。超材料的奇特性质来源于独特的结构和尺寸。它通常具有以重复图案排列的几何特征，这些微结构的尺寸小于可被检测或影响的能量波长。

典型的超材料包括左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等，它们时常表现出“超常”的物理特性，例如负磁导率、负介电常数、负折射率等。

如今，超材料已经成为一项非常热门且应用范围极广的前沿技术。超材料的应用领域包括光纤、医疗设备、航空航天、传感器、基础设施监控、智能太阳能管理、雷达罩、雷达天线、声学隐身技术、废热利用、太赫兹、微电子、吸波材料、全息技术等。

3D打印技术，是快速成型技术的一种。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。

然而，3D打印技术的新进展，使得在更小的尺度上创造更多的超材料形状和图案变得可能。

创新

近日，美国塔夫茨大学（Tufts University）的工程师团队开发出一系列3D打印的超材料。这些超材料具有独特的微波或者光学特性，这些特性超越了传统的光学或电子材料所能实现的。

无论是现在还是未来，研究人员们开发出的制造方法都表明，3D打印技术有望拓展几何设计与复合材料的范围，带来具有新颖光学特性的设备。在一个案例中，研究人员们从飞蛾复眼中汲取灵感，创造出一种半球状设备，能以选定波长从任何方向上吸收电磁信号。

这项研究于4月8日发表在由 Springer Nature 出版的《微系统和纳米工程（Microsystems & Nanoengineering）》期刊上。

技术

在这项研究中，塔夫茨大学纳米实验室的研究人员们描述了一种采用3D打印、金属涂覆与蚀刻的混合制造方案，创造出波长处于微波范围、具有复杂几何结构和新颖功能的超材料。

例如，他们创造出微型蘑菇状结构阵列，每一个结构在茎的顶部都具有一个小型图案化的金属谐振器。这种特殊的排列使得处于特定频率的微波被吸收，这取决于所选“蘑菇”的几何形状和它们的间距。这种超材料的使用对于医疗诊断传感器、通信天线、成像探测器等应用都有着重要的价值。

这篇论文作者们开发出的其他设备包括抛物面反射器，它可以选择性地吸收和传输特定的频率。这样的概念通过将反射和过滤功能结合成一体来简化光学设备。

塔夫茨大学工学院电气与计算机工程系教授、纳米实验室领头人、这篇论文的通讯作者 Sameer Sonkusale 表示：“采用超材料合并功能的能力非常有用。我们可以采用这些材料减小光谱仪和其他光学测量设备的尺寸，使得它们能被设计用于便携式的现场研究。”

底层衬底的“3D制造工艺”结合“光学或电子的图案化加工”所形成的产品，被论文作者们称为“嵌入几何光学的超材料（MEGO）”。3D打印技术创造出的其他形状、尺寸和方向的图案可用于MEGO的构思，通过难以用传统制造方法实现的途径，创造吸收、增强、反射或者弯曲各种波。

目前，一系列技术都可用于3D打印。目前的研究利用了立体光刻技术，它聚焦光线，将光固化的树脂聚合成期望的形状。其他的3D打印技术，例如双光子聚合，可提供低至200纳米的打印分辨率，制造出更精细的超材料，这些超材料可检测和操控波长更短的电磁波信号，甚至有望包括可见光。

价值

塔夫茨大学工程学院 Sankusale 实验室的研究生、这篇论文的领导作者 Aydin Sadeqi 表示：“3D打印MEGO的潜力尚未被完全发掘出来。我们对于现有的技术还可以做很多事情，3D打印技术必将释放出巨大的潜力。”

关键字

参考资料

【1】

【2】X. Liu, W.J. Padilla, “Reconfigurable room temperature metamaterial infrared emitter,” Optica, Volume 4, Issue 4, 430-433 (2017). DOI: 10.1364/optica.4.000430

【3】Sadeqi, A., Nejad, H.R., Owyeung, R.E., Sonkusale, S., "Three-dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics," Microsystems & Nanoengineering, (April 8, 2019). DOI: 10.1038/s41378-019-0053-6

这里就抛砖引玉一下。首先先了解左手材料是怎么一回事。无论是否是这个领域的人，如果想要了解左手材料的起因，建议推导一下电磁波中的场的传播方程。再推导过程中会发现，场传播方程的微分式的通解有两个。在对两个通解的选取过程中，是依据能量守恒法则的。这意味着有一个观点是公认的，无论什么材料，电磁波在进入材料的那一点开始电磁能量是随着传播距离的增加衰减的。那么，当材料为左手材料的时候，带入这个传播方程中，并化简，会发现最终左手材料的传播方程的解中，场是随着距离而衰减，但是材料中传播的电磁波的时间相位是“超前”的。这是难以想象的，普遍认知是存在衰减时，时间相位是滞后的，因为先给激励，后给响应，是基本的因果律。但是在左手材料中，相位是超前的，意味着响应先于激励。但实际上，左手材料的传播方程是一个稳态方程，电磁波在入射材料的那一刻发生了什么，从方程中是不知道的。但是随着时间推移，当电磁场稳定穿入材料时，传播方程告诉我们，响应超前了。这时画一个Sin和Cos函数的图，会发现所谓的响应超前，可以理解为，对前一个响应滞后超过180°的相位。所谓的超前，在满足因果律时，实际上个大滞后。那么响应的点为了追上前一个激励点，必然会加速振荡，能量损失会增加。因此左手材料这个材料，其实是有限制的，只存在于时变场中。稳定场中，因为给足了响应时间，无论如何响应都能跟上激励。从这个角度出发，就可以得到为什么右手材料居多，因为所谓的左手材料，是具备在特定条件下有着双负电磁参数响应的材料。

左手材料”是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律，因此称之为“左手材料

自本世纪以来，一个新名词——“左手材料”在国际主要学术刊物上开始越来越多地出现，已经成为固体物理、光学材料科学和应用电磁学等领域的热门话题。什么是左手材料左手材料，指的是介电常数（ε）和磁导率（μ）都是负数的材料（物质）。介电常数和磁导率是用于描述物质电磁性质的基本物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。在自然界中，所有已知电介质的介电常数ε和磁导率μ都为正值。由麦克斯韦方程知道，入射电磁波的电场、磁场和波矢（相位传播方向）三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料。迄今为止，我们在自然界见到的都是右手材料，右手规则一直被认为是物质世界的常规。但是，在左手材料中，电磁波的电场、磁场和波矢却构成左手关系，这就是这种材料被称为“左手材料”的原因。左手材料有时也被称为“异向介质”、“负折射系数材料”。奇异的特性由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数，折射率也是负的，根据电磁学理论，可以推断出它有很多奇异的特性。比如说，用普通右手材料制作透镜，凸透镜聚焦光线，凹透镜发散光线，左手材料则相反；传统的“平行光线射向平板玻璃，会平行射出”这一常识性现象对于左手材料不再成立，在一块左手材料厚板的一边用散光照射，厚板另一边的一个点上会有一束聚焦光。这是右手材料做不到的。再如，我们知道，火车趋近时我们听到的鸣笛音调较高，远离时鸣笛音调较低，这就是多普勒效应。类似地，在宇宙中，根据天体光谱谱线的红移，我们可以判断该天体在离我们远去，并推算出它远去的速度。但在左手材料中，微波辐射或光会表现出相反的效果——波源趋近时频率向低频端漂移，波源后退时频率反而向高频端漂移，从而形成反多普勒效应。