一、超材料概述

超材料（Metamaterial）是指自然材料通過人工手段加工設計后，具有自然材料所不具備的超常物理性質的人工復合材料或結構。

通常，任意一種媒質的電磁特性可以通過介電常數ε和磁導率μ兩個宏觀物理量來描述。自由空間的介電常數和磁導率分別用ε₀和μ₀表示（ε₀和μ₀均大于零），而對一般物質：ε=ε₀εr，μ=μ₀μr，其中εr表示相對介電常數，μ_r表示相對磁導率，媒質的折射率則被定義為。根據ε和μ取不同的值，可以把材料空間分為四個象限，如圖1所示。第一象限（ε﹥0，μ﹥0）表征的是自然界中的一般性材料，也稱為右手材料，電磁波在這種材料中傳播時電場、磁場與波矢量方向滿足右手螺旋關系，能量與相位的傳播方向相同（前向波）；第二象限（ε﹤0，μ﹥0）表征的是等離子體材料，第四象限（ε﹥0，μ﹤0）表征的是鐵氧體材料，由于電磁波在這兩種媒質中傳播時相位常數為虛數，因此這兩種材料都只存在倏逝波；第三象限（ε﹤0，μ﹤0）表征的是左手材料，電磁波在這種材料中傳播時電場、磁場與波矢量方向滿足左手螺旋關系，能量與相位的傳播方向相反（后向波）。

圖1  ε和μ構造的材料空間

自然界中的一般性媒質只占到了第一象限的一部分，等離子體和鐵氧體也僅占了第二象限和第四象限中少有的幾種，而第三象限（ε﹤0，μ﹤0）中的左手材料在自然界根本不存在。也就是說絕大部分的媒質需要通過“超材料”的方法獲得，包括所有的左手材料和大部分的右手材料，不過狹義的超材料通常是指左手材料。

二、超材料的研究歷程

從20世紀初期起陸續有一些學者研究了負介電常數媒質及后向波的傳輸特性，1968年前蘇聯科學家V.G.Veselago系統地分析了介電常數和磁導率同時為負值的假想媒質的特性，并提出了左手材料的概念。他的研究表明：左手材料不僅具有負折射率（如圖1所示，入射波與折射波在法線同一側）和傳播后向波的特性，還具有逆多普勒效應和逆切侖科夫輻射、亞波長衍射等奇異特性。但在接下來的30年由于缺乏實驗驗證，左手材料一直沒得到重視，直到1996年英國科學家Pendry構造了由周期性排列的細金屬棒陣列組成的人造媒質，實現了負的等效介電常數，而后在1999年，又構造由金屬諧振環陣列組成的人造媒質實現了負的等效磁導率。之后在2001年美國杜克大學Smith教授帶領的研究小組采用Pendry的理論模型，將雙面分別印制有細金屬絲和金屬諧振環結構有規律地排列在一起，實現了等效介電常數和磁導率同時為負值的左手材料，如圖2所示，并通過棱鏡實驗驗證了左手材料的存在，此后，關于左手材料的理論研究和結構設計、應用研究等迅速成為物理學界和電磁學界的研究熱點。但是由于左手材料損耗大、帶寬窄的，使得它難以得到應用。

圖2  左手材料的結構

與此同時，也就是在2002年，Eleftheriades、Oliner、Caloz-Itoh帶領的三個研究小組幾乎同時提出了左手材料的傳輸線模型。眾所周知，傳統無耗傳輸線（右手傳輸線）的等效電路模型可由一個低通LC網絡構成，單元模型如圖3（a）所示，如果我們把低通的電路結構換成高通的結構，即把串聯電感置換成串聯電容，并聯電容置換成并聯電感，如圖3（b）所示，則構成了可傳輸后向波的左手傳輸線的等效電路模型。在實際中由于存在寄生效應，純左手傳輸線是無法實現的，只能設計出一種在某個頻率范圍呈現“左手特性”，在其他頻率范圍內呈現“右手特性”的傳輸線，這種傳輸線被稱為“復合左/右手傳輸線”（Composite Right/Left —Handed transmission lines，簡稱為：CRLH TL），等效電路模型單元如圖3（c）所示。這種超材料與由金屬諧振結構構成的左手材料相比具有損耗小，帶寬寬的優點，且具有奇異的色散特性，在實現無源器件小型化、漏波天線從背射到端射連續掃描以及實現諧振型天線小型化等方面得到了很多應用。

圖3  各類理想傳輸線等效電路模型單元