电磁超材料简介

1、电磁超材料发展历史

超材料是一种通过人工微结构在亚波长尺度内精确调控物理场的复合材料或结构阵列，是近年来由科学界兴起、被工程界广为关注的全新材料构建范式，不仅在宏观上展现出超越传统天然材料的奇异特性，还可实现结构功能一体化。其中，电磁超材料（包括微波、毫米波、太赫兹、红外及光学超材料）是研究者最先关注、影响最为广泛的超材料分支，甚至在较长一段时间内超材料一词专指人工电磁媒质。电磁超材料告诉我们，自然定律并不总是如同看上去的那样固定不变。作为光学的基础定律之一，Snell定律表明[1]：当光线从一种透明介质向另一种透明介质传播时（比如从空气到玻璃），它会在两种介质的交界面发生偏折，而偏折的程度取决于两种介质的折射率。真空的折射率被定义为1，而其他所有透明材料的折射率都大于1。然而，事实上来讲，就不会存在反例吗？早在1967年，俄罗斯物理学家维克托·维西拉戈（Victor Veselago）首次提出了负折射率材料的概念[2]，他预言：“如果一个材料的相对电容率和相对磁导率同时为负值，那么该材料的折射率也将为负。”这种材料具有很多超常的物理特性，例如相速与群速方向相反、负折射率、反常Doppler效应、反常Cerenkov辐射效应等。然而，由于该理念在当前过于超前，因此并没引起人们的广泛注意。直到1999年，英国物理学家约翰·潘德里（John Pendry）提出了一种具有负折射率的人工材料设计方法，他称之为“左手材料”[3]。这种材料的电磁响应特性与一般的“右手材料”完全相反。潘德里教授还预言了超透镜的概念，这种设备可以实现超过光学衍射极限的成像分辨率。2001年，美国杜克大学的Smith教授等人设计出了世界上第一块左手材料。具体地，他们将开口谐振环印刷在介质板上并与金属细线进行隔行周期排列，其中细线的放置方向与开口谐振环的轴向垂直，如图1所示。

图1 左手材料实物及测量结果

为了进一步地证明左手材料的负折射率特性，Shelby等人进行了一次标志性的科学实验“棱镜实验”，它证明了超材料中负折射率的存在。在这个实验中，研究人员使用了一种特殊的微波超材料制成的棱镜。当微波射入棱镜中时，不像在普通棱镜中那样向一侧偏转，而是向与预期相反的方向偏转，这种现象是由超材料的负折射率引起的，这表明光线在通过超材料时可以“弯曲”到正常材料无法达到的方向，实验中的实验装置与最终测试结果如图2所示。

图2 “棱镜实验”实验装置及测量结果

此后数年，在经历了一段时间的争议之后，电磁左手材料的负折射特性得到了广泛的认可，并成为研究前沿，一些关于电磁超材料的专著也相继出版。由于在隐身技术等方面的诸多应用潜力，电磁超材料在2003年和2006年被美国《科学》期刊评选为十大科学突破之一。随着相关研究的不断深入，当前电磁超材料的研究范围已经远远超出了左手材料或者负折射率的范围。目前研究人员所广泛认同的新型电磁材料，已经涵盖所有由人工周期/非周期单元结构组成的、具有新异电磁特性的人工功能复合材料，如梯度折射率材料、极限参数电磁材料、电磁特性可控材料等等。

2、电磁超材料技术原理简述

在电磁超材料的研究中，等效媒质的理论是基础，无论是人工电磁材料的设计分析，还是电磁参数的提取等都基于此。电磁超材料的等效媒质理论均从周期结构出发，研究其均匀的等效媒质参数与单元结构的映射关系。对于非均匀超材料，在其空间结构变化不是很剧烈（即渐变结构或者准周期结构）的情况下，由局部单元结构按照周期性排列获得局部的等效媒质参数。

在经典的电磁理论中，R.克劳修斯和莫索提等从分析材料的原子或分子结构开始，得到单个原子或分子的电极化系数，然后考虑大量原子或分子规则排布之后的宏观效应，并忽略它们之间的干扰，进而得到了材料的宏观介电常数与原子或分子电极化系数的关系，这就是克劳修斯-莫索提关系。在此基础上，人们研究在一种材料中均匀混杂其他材料的情况。通讨将掺杂材料看作小球形状并周期排布在背景材料中，J.C麦克斯韦加内特（J.C.Maxwel Garnett）在20世纪初得到了麦克斯韦-加内特（Maxwell-Garnet）公式，并利用分析了掺有金属微粒的玻璃的颜色。此外，为了克服混合材料中掺杂比例不宜过高的缺陷，布鲁格曼（Bruggeman）基于逐次选代的方法得到了等效介电常数的另一种表达式，即布鲁格曼公式。这些都是分析均匀材料电磁特性的经典公式，类似方法也适用于分析材料的磁导率。

电磁超材料由特定的亚波长单元结构按照一定规律在空间上进行排布，与原子的排列方式相似，因此这些单元结构可称之为“人工原子”。类比天然材料的上述分析方法，如果能够得到人工原子的电（磁）极化系数，则根据克劳修斯-莫索提关系，也可以得到超材料的等效介电常数或磁导率。此外，通过考虑人工原子之间的干扰和耦合作用，还可以得到更为精确的分析结果。

下面具体说下上述的相关公式，首先是克劳修斯-莫索提公式，其反映的是原子的电极化度与材料宏观介电常数之间的关系，具体为：

3、电子化电磁超材料的典型应用

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。

3.1 超材料隐身斗篷

2006年英国物理学家Pendry提出了一种新型的电磁隐身机制——电磁隐身斗篷。它是一种全新的隐身理念，通过改变“超材料”介电常数和磁导率的空间分布控制电磁波的传播方向,使得通过电磁波方法不能检测到斗篷里物体的存在。它不同于传统隐身技术，不只是在某个特定波段隐身，它能在全频段“完全隐身”。它的原理简单来说就是，通过设计一个球壳状的隐身斗篷，使之具有如下两个特点：一是当电磁波进入球壳时，使其围绕着球壳空心区域前进，不进入球壳内部，不与隐藏在里面的物体发生相互作用。二是当电磁波进入球壳时，使其围绕着球壳空心区域前进，不进入球壳内部，不与隐藏在里面的物体发生相互作用。这时无论斗篷里藏着什么物体，都无法通过电磁波的手段探知，实现了完全隐身，如图3所示。“超材料”的介电常数和磁导率可以通过对其单元结构的设计来灵活控制，是实现电磁隐身斗篷的最佳材料。而“变换光学”则通过设计各种材料的属性来实现特定光路，用来控制入射光，使之弯曲，绕开隐藏物体，达到隐身目的。

图3 电磁隐身斗篷示意图

3.2 基于超材料的新型无源电子元器件

电磁介质是无源电子元器件的材料基础和技术核心。传统的无源元件基于常规介质材料，介电常数和磁导率均为大于1的正值，且不会特别高。超材料技术可以实现具有负值、超低或超高介电常数或磁导率的人工电磁介质，为一些具有变革性的新型无源电子元器件的出现提供了条件。

天线是超材料应用的较为成功的一类器件。利超材料超常的电磁性质和高度可设计的特点，人们成功地开发出多种具有高性能、能满足各种特殊要求的天线，实现了天线的小型化、高效、高增益、共型化、高信号选择性等。例如，Ziolkowski 等[4]提出了基于超材料的天线空间匹配的概念，可有效地抵消电抗，提高天线的辐射效率，同时通过空间耦合成为天线的寄生辐射元增益，可将天线尺寸大幅缩小，辐射效率大幅提高。利用复合左/右手（CRLH）传输线结构设计出的天线，借助于零阶谐振，天线的尺寸可以任意地小。利用零折射率超材料的出射面趋近平行于法线的方向射入自由空间的特性，可以有效地使电磁波汇聚，提高阵列天线的方向性和增益。目前，在通信等领域的一些天线中已融合了超材料技术。

3.3 电磁黑洞

2009年初，美国普渡大学的伊维根-纳瑞马诺维(Evgenii Narimanov)和亚历山大-基尔迪谢维(Alexander Kildishev)在媒体杂志上发表一项研究，提出如何建造可以吸收光线的桌面黑洞的理论。这种人造黑洞可模拟宇宙黑洞，其强烈的重力可弯曲周围的时空，导致周围任何物质或辐射遵循扭曲的时空，并螺旋向内被吸收。具体来说，当电磁场的能量密度达到一个极高的阈值时，其本身的引力效应会变得足够大，导致光无法逃脱，从而形成一个“事件视界”。这种极端状态下的电磁场区域就像一个黑洞一样，任何进入其中的物质和辐射都无法向外传播。

世界上首个人造电磁黑洞是由中国东南大学崔铁军研究组制造出来的，它是一个微波频率的"人造黑洞"，它一共由60个不同轴环构成。每个同轴环是以不同结构的电路板形式形成的，而同轴环之间还相互连接，所以它的介电常数非常平整，它一共有内外两部分组成，外面是外壳部分，是由40个同轴环组成，内部是吸收体，是由20个同轴环组成的。当有光和电磁波在它的边界时，就会被诱导到内部的同轴环接着会被吸收掉，最后同轴环会把吸收来的光线转化成热量。

图4 电磁黑洞构造示意图

4、总结

本文简要地介绍了电磁超材料技术，电磁超材料是一类具有异常电磁响应的人工复合材料，它由子波长尺寸的人工微结构单元周期性排列组成，这种周期性结构赋予其宏观异质并呈现出独特的电磁响应。进一步地，它会产生一些特殊的电磁响应，例如负折射率、近零折射率、超镜面效应等异常电磁响应，这打破常规材料的极限，使其获得独特的光学及微波特性。当前，研究人员利用其诸多优良的特性实现了例如电磁屏蔽隐身、超分辨率传感成像、新型天线技术等。最后，电磁超材料的研究趋势包括多功能性、负折射与透明度、紧凑性和可集成性、主动调控与鲁棒性等方面。这些趋势将推动电磁超材料在光学、电子、通信和能源等领域的应用发展。

参考文献

[1] Tangherlini, Frank R. "On Snell's law and the gravitational deflection of light." American Journal of Physics 36.11 (1968): 1001-1004.

[2] Veselago, V. G., Sov. Phys. Usp. (1968) 10, 509.

[3] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins and W. J. Stewart, "Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 11, pp. 2075-2084, Nov. 1999, doi: 10.1109/22.798002.

[4] Ziolkowski R W. Metamaterial-based antennas: Research and developments [J]. IEICE Transactions on Electronics, 2006, 89 (9): 1267–1275.

[5] Kasowaki, Lee, and James Benjamin Benjamin. "Emerging Trends in Nanophotonics and Electromagnetic Metamaterial." (2023).

[6] 郭阳,杜硕,胡莎等.电磁超材料研究进展及应用现状[J].真空科学与技术学报,2022,42(09):641-653.DOI:10.13922/j.cnki.cjvst.202207004.

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作者：江上中国科学院信息工程研究所

责编：眼界

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