第17讲-超材料

2014/3/241第17讲:超材料董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院纳米光学(Nano-Optics)研究生课程2课前思考:•••是否有负折射率材料？如果有，会发生什么？请回顾第2讲2014/3/24231.简介2.负折射率超材料的性质(NIMs)−复习ε,μ,n−ε和μ同时为负的结果3.NIM的实现−设计ε−NIM的实现−设计μ−光学SNGs和DNGs−电磁超材料的进展4.Metamaterials的应用−完美透镜(超透镜)−隐身−Superlensvs.Hyperlens5.超材料的挑战与展望本讲内容4负折射NaturalmaterialMetamaterialn0n01.介绍什么是“超材料”（metamaterial）?•meta:源自希腊单词μετα,意思是“beyond/after”•metamaterial:具有自然界中不存在性质的人造材料−人造结构或媒质−有自然界找不到的不寻常性质−反常性质是由结构而不是材料成分引起的−dλ可以被看做有效（均匀）媒质重要!metamaterial:超颖材料，artificial:人造的，effective:等效的，homogeneous:均匀的2014/3/2435人造光学周期结构6为什么一定要dλ?自然晶体:•晶格常数dλ•均匀媒质通过宏观参数ε,μ,n描述光子晶体:•晶格常数d~λ•非均匀媒质,不能用有效参数ε,μ,n描述•有时表现出异常效应，例如负折射(但非负折射率！)超材料:•模拟自然晶体•必须dλ这样其性质才能用有效ε,μ,n表示negativerefraction:负折射2014/3/2447自然材料:性质源自组成原子超材料:性质源自他们的结构单元.这些单元是通过人工设计得到的。9Science,Nature,NatureMaterials,NanoLett.,ACSNano,和Phys.Rev.Lett.发表数量以―metamaterial‖为标题的SCI索引发表情况研究情况2014/3/24510产业及市场前景•2007:$164.2million•2008:$190.7million•2013:$617.6million•2018:$1.7billion•电磁超材料占有最大市场份额，2018年将达到$11亿–Source:TechnicalmarketresearchreportbyElectronics.caPublications,―Metamaterials:TechnologiesandGlobalMarkets‖,2008“商业超材料市场目前主要集中在制造业和采矿业，混凝土搅拌，海洋和发电的应用。2018年底，超材料的使用范围更加多样化。除了制造业和其他未分类的最终用途，保健/IT，通讯，能源和运输有望获取重要的市场份额。”11真空中的介电常数极化率回顾ε,μ,n(看第2讲)介电常数ε:一个描述电磁场中材料电极化强度的宏观参数相对介电常数Dε0EPε0εE'i''•ε'0:普通透明电介质•ε'0:光频金属•ε''0:具有吸收损耗介质•ε''0:增益介质gain:增益2.负折射率超材料(NIM)的性质2014/3/24612磁导率μ:描述电磁场中材料磁化强度的宏观参数μ'在大多数自然材料中为正:•μ'=1:非磁性材料(例如普通金属和电介质)•μ'1:顺磁体&铁磁体•μ'1:抗磁体'i''(μ描述B相对H的相位延迟)•μ'0:一些在微波频率的铁酸盐复合材料[seeXuetal.,J.Phys.D42,025403(2009)],光频这种自然材料不存在•μ总是≥0,描述磁化损耗paramagnet:顺磁体，ferromagnet:铁磁体，diamagnet:抗磁体，ferrite:铁酸盐磁化率真空磁导率B=μ0H+μ0M=μ0μH相对磁导率13折射率n:描述电磁波传输性质的宏观参数•根据波动方程:•折射率n与相速有关vpcknk0n•电磁波的传输方向通过波矢k描述，其大小为:E(z)E0exp(ikz)E0exp(in'k0z)exp(n''k0z)•吸收媒质的复折射率:nn'in''•n':决定相速•n''0:电磁波衰减attenuation:衰减222222002ttEEEcnn,c001nc2014/3/24714?会发生什么，如果ε0且μ0?(自然界中不存在该材料)nkncE(r)E0exp(ikr)ε-μ材料分类图普通非磁性材料15•但是“双负”不是获得负折射率的必要条件!•对n0,满足||||0就够了。•让我们考虑一个简单的例子:1exp(i)nexp(i)exp(i)exp(i)1负折射率(NRI)!'i'''i''nn'in''Veselago,Sov.Phys.10,509(1968)“双负”的结果Veselago的想法1964:有没有什么天然材料和同时为负?没有!但如果有，结果将是什么？2014/3/24816EB/tHD/tkE0HkH0Eik,/ti左手波在各向同性介质谐波场:如果ε0,μ0:EkH(E,H,k)满足右手定则(“右手”波)如果ε0,μ0:EkH(E,H,k）满足左手定则(“左手”波)17反向波平面波能流(Poynting坡印廷矢量):HSSEH常见(右手)媒质:Ek坡印廷矢量S↑↑k矢量vg↑↑vp(前向波)HkS坡印廷矢量S↑↓k矢量vg↑↓vp(反向波)相速左手媒质:E能流和群速2014/3/24918在PRI和NRI介质中电磁波的相速度和群速度的说明一个脉冲穿过正折射率和负折射率材料的界面vg,vp正折射率媒质vg,vp负折射率媒质1919Snell定律逆转Snell定律(折射定律):n1sin1n2sin2n101n20kS22n101n20kSreversal:逆转2014/3/241020(a)空杯(b)装满水(n=1.3)(c)装有负折射率水(n=−1.3)ray-tracing:光线追迹光线追踪模拟21多普勒效应的逆转正折射率介质中的多普勒效应Dopplereffect:多普勒效应负折射率介质中的多普勒效应2014/3/241122重温ε-μ图负折射率233.NIM的实现Whysolongtime?Nanofabricationtechnologyisnotreadyuntilrecentyears!2014/3/241224如果'||'||0,n0•NRI媒质在自然界不存在我们需要负折射率的超材料(NIMs)•怎样实现NIMs?ε‘0和μ'0双负超材料(DNGs),F大ε‘0或μ'0单负超材料(SNGs)，F小有必要对ε和μ进行设计nF=n/n品质因子25设计电响应ε•通过Drude模型描述金属的ε:•要修改ε,我们需要改变ωp.怎么做?Pendryetal.,PRL76,4773(1996)(raλ)等离子频率ωp可以降低到红外，甚至GHz范围金属细导线阵列2014/3/241326E^•另一种可能——形成双折射(回顾第二讲)金属介质复合材料分子尺寸a,bλ(可以被看做有效媒质)fE||aabopticalaxis单轴晶体opticalaxisabab有效介电常数可以推导为:o-光||fa(1f)b^abfb(1f)ae-光27磁响应μ设计2014/3/241428在垂直方向堆放的SRR正方阵列推导的有效磁导率是:σ1–Pendryetal.,IEEEMTT47,2075(1999)circumference:圆周测得周围单位长度金属环的电阻29通过SRR晶格得到负的μ:GHzPendryetal.,IEEEMTT47,2075(1999)2014/3/241530磁谐振器的其他设计:AGWegener,KarlsruheJeffreyD.Wilson,NASARiken,Japan31NIMs的实现一个直接的想法:纳米金属线阵列+SRRsDNG在GHz范围首次实现DNG左手超材料(LHM)的实验结构Smithetal.,PRL84,4184(2000)+ε0μ02014/3/241632TransmittedPower(dBm)Smith的DNG的透射率测量4.57.05.05.56.06.5Frequency(GHz)Smithetal.,PRL84,4184(2000)000000WiresaloneSplitringsalonep=12GHz33A2DNIM通过左手材料棱镜测得的负折射Shelbyetal.,Science292,77(2001)Smithetal.,Science305,788(2004)2014/3/241734quartzμ'μ''50umYeT.J.etal.,Science303,1494(2004)L:lengthW:widthG:gapS:spaceCuAu/TiTHz范围的磁单负超材料SNG35•主要挑战是在光频实现负折射率材料•一个简单的想法：按比例缩小几何形状可以吗？不行！SRR的磁谐振饱和•应设计一些其他的几何体…Zhouetal.,PRL(2005);Klein,etal.,OL(2006)scalingdown:按比例缩小，saturation:饱和2014/3/241836Shalaev,NaturePhoton.1,41(2007)OpticalSNGsandDNGs37光频鱼网结构DNG•磁谐振在λ=800nm附近•电谐振在λ=600nm附近Chettiaretal.,OL32,1671(2007)fishnet:鱼网2014/3/2419383D曲折光频磁SNG•L0=370nm•Px×Py×Pz=600×600×100nm3•W=70nm•每层厚度=20nmSchweizeretal.,Phys.Stat.Sol.(a)204,3886(2007)Liuetal.,NatureMat.7,31(2008)meander:折线结构39光频3DNIM21层渔网结构，晶胞周期p=860nma=565nm,b=265nmValentineetal.,Nature455,376(2008)[ZhangXianggroup’swork]2014/3/242040光频体纳米线NIM金属线直径=60nm，周期p=110nmYaoetal.,Science321,930(2008)[ZhangXianggroup’swork]41Soukoulisetal.,Science315,47(2007)实心符号:n0空心符号:μ0摘要:电磁超材料的进展双SRR、U型、金属纳米棒对、渔网2014/3/2421424.超材料的应用应用1:完美透镜光线穿过正、负折射率平板的比较:PRIPRIPRIn=1.3n=1n=1发散n=1n=−1n=1PRIPRINRI完美聚焦43n=1n=−1n=1n=1n=1.52n=1数字模拟:PRIslabSourceNRIslabSource2014/3/242244利用这个性质可以制成完美透镜(超透镜):倒立的像正立的像Pendry,PRL85,3966(2000),Smith,Science305,788(2004)upright:正立的远场特性：完美成像•NIM板可以作为一个镜头，使物体在像面上完美成像•图像是正立的！•就像NIM板有效地除去空间厚度，将物体转换成一个完美的像45近场特性：超分辨率成像•物体的散射波包含了所有的傅立叶分量：•传播波被限制在：•有超过衍射极限的超分辨率（即，解决横向特性Δ＜λ），应该有一个空间频率分量：•因此，这个波分量是