NIM负折射率.doc

NIM（负折射率材料）专题研究 严 杰 一、有关折射的基本概念 1、基本定义与关系式 电磁学的早期即由实验发现了以下规律：各向同性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，故有 ，式中是比例系数，称为介电率或介电常数．另外，实验还证明，对各向同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向一致，大小成正比，故有，式中比例系数称为导磁率．和被看成表征物质电磁性质的宏观参数． 在自由空间(无电荷源及传导电流)，由麦克斯韦方程组导出的电磁波波方程为 由此得无色散电磁波传播速度式中是相对介电常数；是相对磁导率则为，在真空中的值；而c为自由空间(真空中)光速，。实际上，按照麦克斯韦场理论，电磁作用过程是经过场(波)而完成的，在真空条件下，这个作用传递的速度就是c．可见，麦克斯韦由于提出电磁场方程组而被后人认为是伟大的科学家这点没错；但由于时代的局限(经典场论产生于距今136年前)，他的理论不可能解释近年来以量子力学、量子光学为基础而完成的超光速、超慢光速实验． 2、折射 折射是自然界最基本的电磁现象之一。当电磁波以任意角度入射到两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。那么，介质的折射率是如何定义的？ 图一表示介质1中的入射波在介质2中折射，虚线AC，BE为波前，由于故有 此式即为Snell定律，由它可以计算折射波前进的方向，式中，均为相速。 这个比值被称为折射率，用n表示，，如，（介质1为真空），，，则有。在上述推导中折射率不是以形态出现的，即使（即折射率恒为正值）。对于一般的材料来说，n总大于1。 但近几年来，人们发观在周期性排列的人工电介质材料。即光子晶体中存在着反常的折射现象：光在空气—晶体的界面进入晶体发生折射时、折射光不是偏向于界面的法线方向。而是偏向于界面方向。也就是说。在光的频率范围内，光子晶体的折射率小于1。有实验表明，光子晶体中的折射光甚至可以与入射光位于界面法线方向的同一侧。因而出现负折射。 3、电介质理论 1837年，法拉第最先提出电介质在电场中极化的概念．1850年，0．F．Mosotti提出了电介质极化理论方程： , 式中M是分子量，是电介质密度，是空气分子平均极化率，是阿伏伽德罗常数．由于R．Clausius也曾导出此式，上式称为Clausius-Mosotti方程．它的适用范围是：非极性分子、低密度介质．推导时用许多导体圆球代表分子． 1880年，H．A．Lorenntz和L．V．Lorenz用光学方法导出了一个包含折射率的公式，称为Lorentz-Lorenz方程． 对比上式，， 其应用范围仍为非极性分子 对于极性分子的介质，1912年，德拜给出，式中u为电偶极矩，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度．上式说明，静电场中总极化由诱导(变形)极化和取向极化两种作用组成．如分子u=0，德拜方程简化为Clausius-Mosotti方程．但如外场为交变电场，要考虑极性分子的弛豫时间的影响，这时该式改为 可见，弛豫时间的影响是由取向极化率的改变而实现的． 因此，对极性分子介质而言，只有 (以及n)才与频率无关，才成立．总的讲，当频率f100GHz时，的影响可不考虑，式保持正确．这就不难理解．近年来的负折射率研究是在微波段(10GHz以下)取得成功的原因． 二、负折射率 负折射的理论解释 早在1968年，前苏联物理学家V．G．Veselago就提出过左手化媒质(1eft handed medium，LHM)的物理思想，该理论认为微波穿过LHM时将射向与Snell定律不同的方向，即发生了微波异常传播的现象。所谓微波异常传播(anomalous microwave propagation)的概念是美国Wisconsin州Marguetle大学的G．C．Giakos和T．K，ishij于1991年提出的，内容是说测量了微波脉冲在自由空间和波导中的传播，发现有现象与传统理论不相符——认为与脉冲前沿相关的部分能量以相速(光速或超光速)传播，而传统上认为的“信号以群速传播”在实验中却观测不到．论文发表后，国外有人发表不同意见，但是，“微波异常传播”一词却流传下来，用以描写实验中发现的一些反常现象。2001年4月6日，美国著名刊物《Science》发表了题为“负折射率的实验证明”的论文．虽然此前已有报道，但由著名的科学刊物正式发表关于负折射率的文章尚属首次．我们知道，自然界的一切物质的折射率均为正值(n0)，从来不曾在已知材料中观察到负折射率(n0)，因此美国科学家的新研究成果在学术界和新闻界都颇为轰动．实验是在微波段(而非光频段)完成的，结果完全符合2000年初的预言：微波波束从样品中出来后，其方向与传统的Snell定律的叙述不同． 为什么会产生这种现象呢？因为在一般条件下