第1章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

2006年，J.B.Pendry提出了坐标变换理论，也称为转换光学理论，该理论的提出，使很多器件的猜想假设得以实现，例如隐身器件等。为了制作出新器件，需要研究新材料。

对新材料、新器件的探索一直是人类的奋斗目标和进步手段，其会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生出新的产业和技术领域。回顾人类社会进步的历史，科学领域的每一次重大进步都源于新材料、新器件的发现与产生。如：19世纪电气和钢铁时代的到来标志着现代工业化的兴起；20世纪对半导体材料的研究导致了一场轰轰烈烈的电子工业革命，并使我们进入了以计算机和信息高速公路为标志的信息时代；进入21世纪以来，超材料作为一种新型人工材料引起了世界科研工作者的广泛关注。

所谓超材料指的是一种具有非常规等效物理参数的人工复合结构或复合材料，它不仅能够呈现出天然材料所难于实现的超常物理性质，而且其特性可根据需要人为地进行调节一般地，按照应用领域可分为电磁超材料、声学超材料、热力学超材料、弹性超材料和物质波超材料等。超材料相对于其余材料而言，具有一些反物理性质，比如说：具有负的有效体积和有效质量以及负的折射率等。电磁波传导到这种材料上时，就会产生逆物理效应。然而我们了解到，在自然界中，介电常数为负的物体可以找到，但是很难找寻到磁导率为负的介质。即使是存在磁导率为负的介，在同一个频段内也很难找到同时具备负介电常数和负磁导率的材料。因此能否人工制作这种“超材料”成为解决自由控制电磁波场的重点和难题。超材料的出现为新型功能材料与器件的开发提供了新的契机，其潜在利用价值和广阔应用前景对未来生活的方方面面影响深远、意义重大。

1.2 国内外研究现状分析

超材料研究初期主要围绕电磁超材料开展，后来逐渐拓展到其它工程领域。左手材料的研究是电磁超材料发展的关键，其名称源于当介电常数和磁导率同时为负值时，电场、磁场和波矢三者满足左手螺旋定则。如图1-1显示了电磁波从空气中传播，分别进入右手材料和左手材料时折射波的波矢量和能流。当电磁波从空气(右手材料)入射到左手材料时，折射波的方向依然由斯涅耳定律决定，只是此时折射率为负值。

早在1968年，前苏联科学家V.G.Veselago就从麦克斯韦方程组及材料本构关系出发，率先对左手材料及其异常特性进行了理论分析与预测。然而，由于自然界中不存在天然的左手材料，在随后近30年的时间里，有关该材料的研究一直未取得实质性的进展和突破。

图1-1电磁波从空气入射到右手材料和左手材料时折射波的波矢和能流

直到20世纪末，英国物理学家J.B.Pendry等人先后指出用周期排列的金属杆阵列和开口谐振环阵列可分别产生负介电常数和负磁导率效应并从此打开了左手材料物理实现的大门。

2001年，美国物理学家D.R.Smith等人在J.B.Pendry的理论基础上将金属杆和谐振环有序地排列在一起制成了世界上首块一维左手材料。

2002年，基于相同的设计理念，首块二维左手材料问世，负折射特性得到实验证实。自此以后，左手材料迅速成为电磁学界乃至整个科学界一个十分活跃的研究热点，许多看似违背经典电磁理论并与现实格格不入的超常电磁特性逐一得到验证。

2003年是左手材料研究发展最快、进步最大的一年。美国西雅图Boeing Phantom Works的C. Parazzoli与加拿大University of Toronto电机系的G. Eleftheriades所带领的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也发布了利用光子晶体做为媒质的左手物质理论的仿真结果；美国麻省理工学院的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》杂志中发表文章，介绍了电磁波在两维光子晶体中的负折射现象的实验结果。基于科学家们的多项研究表明，左手材料的研制赫然进入了美国《科学》杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球关注。

2003年，哈尔滨工业大学吴群教授领导的课题组全面展开了对左手材料的相关研究。目前，在左手材料领域中，国家、国际的研究项目逐年增多，相关论文也逐年升高。其主要研究方向涵盖了四大方面：“左手材料激发机理分析与电磁特性分析”、“性能优良的左手材料构造与验证”、“左手材料在新型微波器件中的应用”和“基于左手材料的隐身技术”。

2004年，上海科学家的身影逐渐出现在了国际学术界。“973”光子晶体项目首席科学家、复旦大学的资剑教授带领的研究小组历经两年的研究与设计，利用水的表面波散射成功实现了左手媒质超平面成像的实验，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，立即引起了学术界的瞩目，被推荐作为《自然》杂志焦点新闻之一。

2005年，华南师范大学专家铁绍龙和周红卫带领研究小组接受了广州市科技局的重点研究项目“基于纳米组装的左手材料及其器件”。其在左手材料领域重要贡献是：首次使用纳米组装技术，在多孔的纳米二氧化硅球中，组装磁性材料和导电纳米线，这种“带磁性和金属线的微球”再定向共混在有机体系中，通过加入粉体百分比来控制基材的密度，进而调整左手频段频率，最终制作出了左手材料。

2009年11月，东南大学毫米波国家重点实验室在崔铁军和程强带领的的研究团队成功地制作出人造电磁学收集器，该成果引起了世界科技界的瞩目，10月15日，《自然》网站也以“科学家研制出可携带黑洞”为题描述了这项研究成果。   

论文写好后想知道重复率是多少？点击“知网论文查重入口”直连中国知网查重检测系统