4、“左手材料”
众所周知，麦克斯韦理论表明，电磁波在普通介质中传播时遵循“右手定则”。而韦谢拉戈给出了一种奇异的介质，在这种介质中，电场强度 、磁场强度 和电磁波波矢 之间遵守左手定则，由此称之为“左手材料”。
左手材料是近年来新发现的某些物理特性完全不同于常规材料的新材料，在电磁波某些频段能产生负介电常数和负磁导率，导致电磁波的传播方向与能量的传播方向相反，产生逆多普勒效应、逆Snell折射效应、逆Cerenkov辐射效应以及“完美透镜”等奇异的电磁特性。这些特性可望在信息技术、军事技术等领域获得重要应用。
介电常数ε和磁导率μ是描述物质电磁性质的基本物理量。由于这两个参数出现在麦克斯韦方程式中，因此，ε和μ也是描述电磁波在物质中传播的重要物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。介电常数ε和磁导率μ是频率的函数，在某一时刻，电位移矢量 和磁感应强度矢量 决定于电场强度 和磁场强度 。当ω→0，ε（ω）和μ（ω）趋于其正的静态值；ω→∞时，由于极化过程跟不上频率的变化，ε（ω）和μ（ω）趋于1。因此，在两个极限情况下，ε（ω）和μ（ω）均为正值。但在中间频率阶段， Re[ε]和Re[μ]可取负值。如金属材料在等离子频率以下具有负的ε（ω）值，铁磁体在铁磁共振附近具有负的μ（ω）值。历史上，电动力学仅研究ε（ω）和μ（ω）均为正，或其中一个值为负的情况。如果ε和μ同时为正值，则电场、磁场和传播方向形成了右手矢量关系，这就是通常右手材料的情形。
但如果ε和μ同时为负值，则电场、磁场和传播方向形成了左手矢量关系，这也就是“左手材料”称谓的由来。 的方向也就是 的方向，和坡印廷矢量 的方向相反。
当电磁波在“左手材料”中传播时，将会表现出一些奇异的特性。例如：
（1）电磁波的群速方向与相速方向反向平行，即波矢的方向与能量的传播方向相反，E、H、K之间满足左手定律。
（2）逆多普勒效应（Reversed Doppler Effect）。在左手材料中所观测到的频率变化与右手材料中的效应相反。在右手材料中，当观察者向着波源运动时，观察者所测到的频率要高于波源振动的频率，这就是多普勒效应；在左手材料中，同样当观察者向着波源运动时，观察者所测到的频率要低于波源振动的频率，此为逆多普勒效应。
（3）逆Snell折射效应（Reversed Snell Refraction）。折射率为负值，在左手材料和右手材料的界面处，折射线和入射线居于界面法线的同侧。因此会呈现出所谓的“完美透镜”现象。
（4）逆Cerenkov辐射效应（Reversed Cerenkov Radiation）。当带电粒子在介质中运动时，介质中产生诱导电流，由这些诱导电流激发次波，当带电粒子的速度超过介质中的光速时，这些次波与原来的电磁场互相干涉，可以形成辐射电磁波。这种辐射称为Cerenkov辐射。在右手材料中电磁波激发的辐射以锐角向前散射，而在左手材料中，电磁波的辐射方向发生了改变。在左手材料中则以钝角向后散射。
左手材料从提出到实现经历了30多年的历程。直到1996－99年，英国科学家Pendry等人相继提出了可能构造左手材料的巧妙设计方法[2]，即用金属条和开口金属谐振环周期性地规则排列，则有望在微波波段产生负等效ε和负等效μ。2001年，美国加州大学圣迭戈分校的Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了左手材料的存在[3]。2003年，加拿大科学家 Eleftheriades基于电子学中的传输线理论，实现了一种不倚赖于金属结构来实现左手材料的放案，通过“反传输线”连接在一起形成网络，实现了微波频段的负折射[8]。
2002年，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来可能用于电磁波隐身等等[9]。2006年初，Pendry等预测预言了超材料薄层能够让光线绕过物体，从而使物体隐形[10]。就在他们提出隐身斗蓬的可行性技术构想之后几个月，2006年10月，Smith等展示了这种斗篷的雏形[11]。
“隐身斗篷”的基本原理是，通过在物体表面包覆一层具有特殊设计的、具有一定介电常数和磁导率分布的材料，使入射光或电磁波将被弯曲，并且绕过包覆层，从而出现隐身人的结果。其原理如图8所示。通俗的讲，身穿隐身斗篷的人就好像在空间中挖开了一个洞，任何光和电磁波将直接穿透这个洞，从而不会看到斗篷中隐藏的物质。隐身斗篷将不仅仅被应用于“隐身”，凭借它的帮助，任何电磁信号都可以更为有效的绕开干扰和阻隔，从而保持信号的完整性。
近年来人们，开始探索光学波段的左手材料，人们通过双金属棒结构、渔网结构等演示了通过金属结构在光波段实现负折射和完美透镜成像的可能性。纳米加工技术正在其中发挥着越来越大的作用。
5、光子晶体
1987年，E. Yablonovitch]和S. John]独立地提出了光子带隙（Photonic Bandgap）材料的概念。光子晶体是由具有不同反射率的材料在空间交替构成的一种周期结构。由于光在与其波长相匹配的周期结构中运动时，受到周期的散射和衍射，于是便产生了光的频率禁阻，在该系统中，某些频段的电磁波强度因破坏性干涉呈指数衰减，无论横向还是纵向的振动，都无法在介质中传播，形成电磁波能隙。
光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，落在禁带中的光是被禁止传播的。当原子被放在一个光子晶体里面，而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零，因此自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制；反过来，光子晶体也可以增强自发辐射，只要增加该频率光子态的数目便可实现，如在光子晶体中加入杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，这样便可以实现自发辐射的增强。
由于光子带隙的存在，人们可以通过设计带隙实现对各种波长光的调控，获得各种各样的新型光学器件。
光子晶体为实现低阈值激光振荡器和各类低阈值的光逻辑器件提供了条件。在激光器中引人光子晶体还可以实现低阈值激光振荡。这是因为光子晶体对位于其光子频率禁带范围内的电磁波具有抑制作用，所以当光子晶体的光子禁带频率与激光器工作物质的自发辐射频率一致时，激光器中的自发辐射就会被抑制。激光器中因自发辐射引起的损耗会大大降低，从而会使激光振荡的阈值变得很低。图利用二维光子晶体实现的激光器示意图。在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态，这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔要优异的多。由于光子带隙对自发辐射的抑制行为，为各种全光开光、光学非线性等性质的实现提供了可能性，并可以使其阈值大大降低。
光子晶体为这类繁多的光无源器件提供了理想的材料。理论计算表明，光子晶体波导可以改变这种情况。光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率。此外，光子晶体本身也是高性能反射镜，频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为100%。光子晶体超棱镜本身也可以被看成是超棱镜。常规的棱镜的对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的要强100到1000倍，体积只有常规的百分之一大小。如对波长为1.0微米和0.9微米的两束光，常规的棱镜几乎不能将它们分开，但采用光子晶体超棱镜后可以将它们分开到60度。这对光通讯中的信息处理有重要的意义。
已经实现产业化的光子晶体光纤是目前应用最广的光子晶体产品。这种光纤的一个突出的特点是它可以把光限制在低介电常数区域，从而实现光在空气中的传播，因此光的传播损失是很小的，还可以传输较高能量的光，除此外还产生了其它的一些特性。
值得指出的是，由于光子晶体材料自身给出了一种材料平台，人们可以在同一块光子晶体“芯片”上实现各种不同的有源和无源器件，并将这些集成。这为未来的集成光子学技术提供了广阔的发展前景。
光子晶体理论不仅为光子信息结束的发展提供了理想的材料，也惠及电子信息技术，其中一个典型例子微波带隙天线。传统的微波天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上，这样就导致大量的能量被基底所吸收，因而效率很低。例如，对一般用GaAs介质作基底的天线反射器，98%的能量完全损耗在基底中，只有2％的能量被发射出去，同时造成基底的发热。利用光子晶体作为天线的基片，此微波波段落在光子晶体的禁带中，因此基底不会吸收微波，这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中。
六、“超材料”中的材料科学与技术
从metamaterial的定义中可以看出，超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。因此，早期的“超材料”研究与材料科学无缘。无论是左手材料还是光子晶体，最早开展研究的都是物理学家，而此后由于可能的应用，一些电子科学家进入了这一领域。而材料学家进入这一领域还是近几年的事情。
作为世界上较早进入“超材料”领域的材料研究小组之一，本课题组一直致力于将具有特殊性质和功能的材料系统引入超材料结构，以获得具有更优异的性质或特殊功能的新型“超材料”系统。
事实上，要获得理想的“超材料”，“材料”的选择是至关重要的。对于光子晶体材料，人们在实验上长期追求的目标是实现光频段的完全光子带隙。然而，要实现这一目标，在材料中有足够大的介电常数（折射率）的反差。一般的思路是寻找介电常数尽可能高的介质材料，以获得和空气（真空）尽可能大的介电反差。但遗憾的是，现有的材料中难以找到具有足够高在光频下具有足够高介电常数的材料。1999年，我们材料科学的考虑和“逆向思维”的方法，提出了利用超低介电常数材料（即金属）作为光子晶体介电背景的设想。根据已有的理论，金属材料在其等离子体共振频率下介电常数为零。而在等离子体共振频率附近，其介电常数接近于零。为此我们选择了银作为介电背景，银在可见光范围的折射率在0.2-0.4左右，且有很好的透光性。我们利用化学过程将银引入到聚乙烯微球晶体，结果获得了具有接近完全带隙的光子晶体。当然金属结构与光的相互作用还包括表面等离子体与光的耦合作用，这是我们当初设计从来时所没有考虑的。但我们的工作给了同行以一定的启发，后来很多人在金属基光子晶体的理论和实验上开展了大量的研究工作。金属基光子晶体作为在光频上获得光子带隙的重要选择已成为一种共识。
本课题组在这个方面开展的另一项工作是将铁电体引入了光子晶体，发展出了一种很有应用价值的可调带隙光子晶体。可调带隙光子晶体是近年来光子晶体研究领域的一个重要前沿，被认为是未来光子带隙结构器件走向实用化的主要突破口。2000年，我们在国际上首次提出了基于铁电相变的可调带隙光子晶体的基本设计思想并报道了一个演示性的实验结果。2003年，课题组首次报道了PLZT反蛋白石光子晶体在电场作用下的光子带隙移动，从而为实现具有实用价值的电场调制铁电体基光子晶体提供了直接的实验依据。与前两类可调带隙光子晶体相比较，铁电体基光子晶体具有一些独特的优点：（1）无机铁电体基材料具有前两类材料所不具备的“全固态化”特征，更易于制造成器件并与现有的光电子技术相兼容；（2）无机铁电体通常在各类频率下具有很高的介电常数，以其构造的光子带隙结构更容易形成完全带隙；（3）铁电体同时具有更多的调制因素，电场、温场、应力场等均可诱导出铁电相变而使其介电常数发生变化，因此铁电体基光子晶体具有更多的光子带隙调制方式。因此，铁电体基光子晶体提供了一种较接近实用化的选择。最近，日本东京大学和富士通公司推出的国际上首例可实用的二维可调带隙光子晶体，就是在申请者提出的铁电基光子晶体的基础上实现的。
本课题组也还将具有发光性质的材料引入到光子带隙，试图通过研究材料在光子带隙调制下的发光行为，从实验上找到光子带隙对材料自发辐射行为的调制，同时发展一些可能有应用价值的新型光子带隙结构。例如，我们提出了利用了发光材料中的因晶格驰豫引起的斯托克斯位移效应（即由于电子在基态和激发态之间的晶格驰豫所导致的激发能级差高于辐射能级差的效应）和完全带隙结构实现低阈值全光逻辑元件的模型。在该模型中，利用一种三能级发光中心结构，其中电子从第一激发台向基态辐射跃迁的光子能量刚好落在光子带隙内，而由于斯托克斯位移，其基态向激发态跃迁的能量不在光子带隙内。如果这样的情况存在，被激发到激发态上的光子将不能通过辐射跃迁回到基态，形成了除基态外的第二个“稳态”。如果在第一激发态能级之上还有更高的能级（第二激发态），而第一激发态和第二激发态的能级差小于基态和第一激发态之间的能级差，则可以通过利用一种能量低一些的光将第一激发态上的电子激发到第二激发态，电子再从第二激发态通过辐射跃迁回到基态。这样的一种模型给出了具有两种稳定状态的系统，而这两种状态可以通过两种不同的波长的光加以“开光”，因此是一种逻辑系统，可以用来实现一种全光逻辑器件。其阈值将比基于光学非线性实现的全光逻辑器件低得多。
由此可见，利用材料科学的原理，把各种功能材料引入“超材料”系统，有可能获得具有新功能的超材料或器件。
在把功能材料引入超材料系统的同时，本课题组也致力于将先进的材料技术用于超材料的设计与制备。如我们成功利用了低温共烧陶瓷技术（LTCC）技术制备出了具有紧凑结构的单片集成左手材料。LTCC技术是在多层陶瓷技术的基础上发展起来的无源电子元件集成的一个重要手段。我们利用了“反传输线”的负电磁参数响应原理原理，利用LTCC所提供的在多层结构电感与电容技术，在陶瓷基板上制造出了由反传输线结构单元构成的二维阵列。微波测试表明，该材料在一定频率下呈现出负折射率。
随着人们对左手材料的研究兴趣越来越多的转向可见光波段，对材料技术的依赖也越来越强。目前，纳米技术更成为超材料制备的重要手段。
7、材料科学家的梦想：回归材料
物理学家提出了超材料，试图通过理论推测和巧妙而复杂的结构设计来获得天然结构所不具备的性质。但对于材料科学家来说，他们更希望能够在常规材料中去寻找超常特性。我们的另一部分研究工作就集中于后者。
事实表明，常规或天然材料中具有超材料的部分性质是可能的。例如，一种产于澳洲，被称为澳宝（opal的音译）宝石（天然蛋白石）就具有不完全光子带隙结构，其显微结构是由二氧化硅胶体构成的胶体晶体，和我们合成的胶体晶体很相似，正是由于这种带隙的存在，这种宝石有强烈的反光，且不同角度发射出的光具有不同的颜色。此外，科学家在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛中观察到了光子带隙结构，这些结构使本来无色的生物体由于结构的发光而呈现出闪烁斑斓的色彩。
既然大自然能够制造成复杂的光子带隙结构，其它的超材料的功能能否在天然材料中找到呢？对偏振光的简单的负折射现象也很容易从具有双折射的晶体中获得。我们都知道，光束由各向同性媒质入射到单轴晶体时，通常会发生双折射。而当偏振方向位于主截面内的光束以一定角度入射在单轴晶体（光轴与界面成某一角度）界面上时，折射光线和入射光线可能位于界面法线的同侧，即发生负折射现象。
基于同样的原理我们利用了液晶材料的光学各向异性可以通过电场或磁场来调控的特点，提出了一种可调负折射材料，其折射率可以通过施加电场或磁场来调控，可以从正值调到负值。并通过实验获得这种性能。
然而，上述材料的负折射机制与韦谢拉戈提出的左手材料是不同的，它是由纯粹的光学现象所导致。为此，我们也试图探索基于天然材料的真正意义上的韦谢拉戈物质。对于金属材料的负介电常数，人们并不陌生－－在等离子体频率以下，呈现出负的介电常数。
既然金属材料中能够产生负介电常数，非金属介质中是否能够产生呢？我们的研究结果是，通过介电共振，至少能够产生“表观”的负介电常数。在这种材料的基础上，我们提出了提出一种全新的、无绕线结构的感性元件设计思想－－利用具有表观负电常数的陶瓷介质构成的电容结构中产生的负电容，在相对简单的结构中实现感抗功能。由于这类感抗元件不需要复杂的绕线结构，可为感性元件尺寸的进一步降低开辟出一个广阔的空间。自19世纪法拉弟发现电磁感应现象以来，感性元件被广泛应用于各类电路中，但一百多年来人们所使用的感性元件都是较为复杂的绕线式结构。该元件改变电感类元件必须通过绕线结构来实现的传统观念。另外，利用该材料与能够产生负磁导率的金属结构复合，我们也可以观察到左手材料的特征。
同时，我们也在尝试着通过铁氧体的铁磁共振实现负的磁导率，目前也取得了一些研究进展。
“超材料（metamaterials）”：超越天然材料的自然极限
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