纪念麦克斯韦方程组150周年

纪念麦克斯韦方程组150周年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在他1865年论文1的499页写道“实验结果表明，光和磁似乎具有同一物质的性质，而且根据电磁感应定律定律光是以场的形式传播和干涉的。”有了这些知识后，他彻底地改变了世界。在他发表著名论文后的150年里，许多科学发现和技术创新都源于麦克斯韦方程。在过去一个半世纪来电磁和光波能操作，量身定制，并通过材料进行控制，因此，材料科学与工程师使光波与电磁波的应用在制作新的仪器设备中发挥的淋漓尽致。早期的例子包括射频天线，透镜和反射镜，微波波导，光纤，和电报传输线，仅举几例。近几年、随着纳米科学和纳米技术，材料科学与技术，以及凝聚态物理的最新进展使得设计材料成为可能。利用原子结构的可控性设计具有前所未有的性能的材料和不存在于自然存在的物质。这些科学与技术的发展已经打开材料物理的大门，使我们有很大的机会去研究纳米，微米和介观的材料成型和光刻技术。为了使光子按照自己设想的路径去运动，我们需要设计非均匀材料的结构与相关参数。如介电常数和磁导率。举一个很好的例子，光子晶体中的缺陷可以实现控制光子的整体运动规律（如图2），其中类似于电子能带结构中的电子运动。光子在介电常数的周期性变化的带隙阵列中传播（见图，A组）。这种周期性变化的带隙阵列类似于光走的路。虽然光在物体表面的弯曲传统上已经由反射和折射定理证明，这些定律是根据斯涅尔定律完成的，超材料和超材料表面的到来，现在变换光学（供给我们3）和泛化的斯涅尔定律的（4，5），用于在tailoringfields亚波长尺度，从而出现了令人兴奋的场景，如隐形，光线集中（lightconcentration），错觉，平坦光子（flatphotonics）。对于在纳米光的操纵另一个范例是由光学metatronics技术来成功的（达到6），其中深亚波长结构的功能为“集总”光电路元件（类似于电阻器，电感器以及电容器元件中的电子）。这种统一的路（电子运动与光子运动的集体运动路径）的范例在电子学和光子学之间提供了“共同字母”，让这两个领域之间的想法和设计可以相互沟通。被正确的设计和适当的组合出来的纳米颗粒的集合，形成具有亚波长区信息处理的前所未有的能力（见图，B组）的光学纳米电路。然后可以设想设计出新材料调整光与物质的相互作用（tailorlight-matterinteraction），以便在纳米尺度来执行光信号处理，例如，光与物质的相互作用可以进行数学运算来计算，如微分和积分是光通过这样的材料和结构的一种数学运算（7）。也许，在材料中光可以用数学的概念描述，如果可以正确设计的材料纳米结构。也可以被扩展到求解方程，。现在通过利用边界条件去求解麦克斯韦方程组使我们能够有能力合成具有所需参数的材料。例如，二维材料，如光子在石墨烯中的性质带来了以前难以想象的可能性。高度约束电磁表面波沿石墨烯片表面等离子体激元的形式传播已经证明（8，9），这使得它可以设想光学装置只有一个原子厚。其他低维材料，如六方氮化硼（的hBN）和二硫化钼（MOS2）也因为操纵光的新平台而被吸引关注。另一种极端情况是非常局限的利用光电浆纳米天线（plasmonicnanoantennas）（浓度10）。天线，传统上它被用于有限的电磁能量转换成在亚波长区域向远场辐射，随着时代的发展这已被用于许多领域，如无线通信和卫星技术。缩短常规射频天线到纳米光子场尺寸，这样想法的提出使设计出的金属纳米结构的高场强集中在亚波长卷的光的可能性大大提高。此开辟了新的领域，如在检测，传感，和发射控制的领域，如增强纳米天线增强表面的拉曼光谱学和量子点的自发发射工程11）。通过使用磁化的磁光材料添加了不可逆性到纳米天线的光学器件，例如近场光能量的自旋。这些效应会因这种纳米天线的等离子共振和在其附近的光场的高强度而增强。这可以作为单向的光学装置的基础，例如纳米级的环形器。最后一个例子，以接近零的有效参数操纵波和超材料带来一套全新的机制控制场和波（12）。作为相对介电常数和/或相对磁导率在一个适当设计的超材料实现接近零的值，有效折射率接近零，因为工作频率导致有效波长非常大。因此稳态信号的这种结构中的相位在空间上是均匀的，不管其形状和大小的这意味着该结构似乎是亚波长电磁。例如，两个波导由一个接近零的有效折射率结会联合，就好像它们直接连接到彼此（见该图中，图C）。这可能在经典和量子光学都有重要的含义，其中两个点（两个接收，两个发射，或一个接收和一个发射极）尽管它们在物理上相距甚远，但将如表现出如同它们在一起的行为。这种效应将呈现有趣的可能性长距离集体辐射，量子纠缠和量子电动力学，涉及如此极端的结构。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦无法想象150年后他预言的电磁波会随着科学技术的发展以多种方式被利用。人们想知道我们的世界如果没有他巧妙而优雅的方程将会是什么样。摘自10Jul2015《Science》杂志上150yearsofMaxwell'sequationsAuthorAffiliations（UniversityofPennsylvania,DepartmentofElectricalandSystemsEngineering,Philadelphia,PA19104,USA.）