■浙江大学研制“隐身”装置(2013-11-02)电磁波照射到物体时，会在物体上发生散射；散射的电磁波被接收后，就表明那里存在物体。如果能让电磁波转弯，绕着物体走，这样物体就能隐身。
■ 加拿大研发出量子隐形材料 已获美军支持(2012-12-12)“量子隐形”材料制作成衣服，透过反射穿衣者身边的光波，可以使得穿着这种衣服的人达到“隐形”的效果。此技术更可用于军事上，让士兵像穿上“隐形军服”，还可以避过夜视镜。
超颖材料
2012-01-01
超颖材料是最近几年刚兴起的一种新型材料，与传统的光学材料不同的，超颖材料的光学性质不是由材料本身的成分决定的，而是由其内部人工造出的结构决定的。
《哈利·波特》里出现过魔法隐身斗篷，那时还是科学幻想甚至是神话，现在，利用超颖材料，人们在一定程度上实现了隐身斗篷。当然，以目前超颖材料的发展程度，我们离制造出实用的隐身衣还很远。而以这个领域的发展速度，我们可以想象不远的未来能够做出有实用价值的隐身材料。
最普通的超颖材料可以改变光的折射现象，新的折射现象是自然界中存在的材料实现不了的。我们知道，当一种材料的折射率大于1时，从真空（或空气）中入射进这种材料的光线被偏折，而且光线与材料表面的垂线的夹角小于入射光与垂线的夹角，且两条光线在垂线的两边。而超颖材料可以实现负折射率，用通常的折射公式我们得知，入射光线和折射光线分布在垂线的同一边！
材料的光学性质主要由两个参数决定，一个是介电常数，一个是磁化率，这两个常数分别决定了材料中静电和静磁性质，而波动的电磁波（光是电磁波）在材料中如何传播则同时取决于这两个参数。一个透明材料中，这两个参数都是正的，而一个材料如金，介电常数是负的，但磁化率却是正的。材料的折射率是两个常数乘积的平方根，所以对于这种材料，折射率是虚数，从而材料是不透明的。前面提到的人工负折射率材料，介电常数和磁化率都是负的。早在上世纪60年代俄国物理学家Victor Veselago就在理论上分析过这种材料，他得出结论，这种材料是透明的，但折射率是负的。在当时，还没有人敢于想象我们有一天会制造出这种材料。
到了2001年，杜克大学的D. R. Smith等人在微波波段实现了负折射率材料。有时，一些负折射材料又叫左手材料，原因是，在通常的正折射率材料中，电场方向、磁场方向与波面的传播方向（相速度方向）形成一个右手螺旋，而负折射率恰好相反，这三个方向形成一个左手螺旋。换句话说，在负折射率的左手材料中，波面的运动方向与能量的传播方向恰好相反。
负折射率材料正好是制造隐身斗篷所需要的，直到2006年，杜克大学的D. R. Smith和伦敦帝国学院的J. B. Pendry等人在实验室中实现了隐身斗篷。但这种隐身斗篷还很不实用，一来尺寸非常小，二来只是在微波波段才管用。
超颖材料突破常规材料的另一个特点是可以实现各向异性和不均匀性，即介电常数和磁化率不是常数，是位置的函数，而且，在电磁理论中，介电常数可以不只是一个参数，更一般的情况有6个常数。磁化率也是如此，这样一共有12个常数。如果介质不均匀，这12个常数就变成了12个位置的函数，这样，通过人工控制这些函数，我们几乎可以随心所欲地在介质中弯曲光线。所以，作为新型光学材料的超颖材料的应用远远不止是隐身衣，例如可以制造新式的天线，由于天线尺度远小于共振波长，这样就可以提高天线的灵敏度。Pendry指出，负折射率超颖材料还可以用来制造超透镜，超透镜的特点是它的解析度可以超过通常透镜的极限，从而使得成像更为清晰。2008年，一些近红外超透镜被制造出来。
超颖材料甚至可以帮助我们实现罕见的天体物理现象。我们知道，在爱因斯坦引力理论中，引力场可以用弯曲的时空代替，光线在引力场中弯曲因为时间和空间是弯曲的。在一个不随时间变化的时空中，电磁场感受到的弯曲时间和空间可以用6个有效的函数描述，这六个函数恰好是介电材料中的6个介电常数，另外6个函数即磁化率分别等于6个介电常数。所以，电磁波在静态引力场的传播完全可以用材料来模拟。
一个静态黑洞产生一个静态引力场，所以我们原则上可以用超颖材料来模拟黑洞。今年10月份，《科学》杂志报道，东南大学的崔铁军和程强等人就制造出这样的人工黑洞。他们在铜上刻出结构，这样微波就可以感到类似引力场的介电结构。这个人工黑洞由60层印刷电路板组成，是柱状的。这不同于自然界中的黑洞，在太空中，一个不转动的黑洞具有球对称性，而不是柱对称性。但这仅仅是技术上的限制。
同样是今天10月份，我和两位学生苗荣欣和庞毅在一篇论文中指出，一种特殊的加速膨胀的宇宙，德西特宇宙，也可以用超颖材料来模拟。德西特宇宙存在一个静态描述，这是用超颖材料模拟的关键。我们的研究的重点不是指出超颖材料可以模拟加速膨胀宇宙，而是指出使得宇宙加速膨胀的暗能量非常可能是一种叫做Casimir能量的量子涨落。如果我们能够在实验室中制造出模拟德西特宇宙的材料，那么原则上这个材料中存在一种类似暗能量的能量。如果实验家们能够测出这种能量，这将是利用超颖材料研究宇宙学的重大进展。
用超颖材料研究引力场还在起步阶段，还有很多研究需要完成，例如，我们需要在理论上确定黑洞的霍金辐射是否可以用超颖材料来模拟。自然，技术上最重要的还是将超颖材料的有效频率做到可见光波段，甚至更宽的波段。
“超材料（metamaterials）”：超越天然材料的自然极限
摘 要
“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。从本质上讲，metamaterial更是一种新颖的材料设计思想，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。迄今发展出的“超材料”包括“左手材料”、“光子晶体”、“超磁性材料”等。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。
关键词：超材料，材料设计，左手材料，光子晶体
1、 “超材料（metamaterials）”的基本定义
“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。在互联网上颇有影响的维基百科（Wikipedia）上，对metamaterial一词是这样解释的：
In electromagnetism (covering areas like optics and photonics), a meta material (or metamaterial) is an object that gains its (electromagnetic) material properties from its structure rather than inheriting them directly from the materials it is composed of. This term is particularly used when the resulting material has properties not found in naturally formed substances.
这一解释可能是迄今对metamaterial这一概念给出的最符合科学规范的定义，尽管这一定义从目前的观点看过于狭隘（该定义似乎只针对电磁领域的材料，而实际上，最新的研究metamaterial已经包括一些声学材料）。从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征：
（1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；
（2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；
（3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。
目前人们已经发展出的这类“超材料”包括光子晶体、左手材料、以及超磁性材料等等。
2、从“灵光一闪”到重大突破
尽管metamaterial的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。
1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的预言未能得到科学界的重视，到了20世纪90年代，Veselago的猜想几乎被人遗忘。
直到20世纪90年代中后期，英国物理学家John B. Pendry的工作使韦谢拉戈物质的研究出现了柳暗花明的前景。Pendry将metamaterial的思想（尽管当时metamaterial一词未被使用）引入了负介电常数和负磁导率的材料的构造。他的一个创新性思路是，一种材料，不仅仅只认为是一个均匀的块体，它还可以拥有一些细小的单元。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构单元中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。基于这样的思想，Pendry先后提出了可能具有负介电常数和负磁导率的结构单元。在此基础上，美国科学家David R. Smith等人从实验上实现了这些结构单元的负折射。Metamaterial一词，连同具有负折射的“左手材料”一起引起了世界科学界的关注。
与“生不逢时”的左手材料相比，另一类超材料――光子晶体的诞生和发展则幸运得多。1987年，两位美国科学家分别根据各自在不同角度的研究，同时提出了一类在光的波长尺度具有周期介电结构的超材料――光子晶体（photonic crystal）以及与其对应的光子带隙（photonic bandgap）的概念：E.Yablonovitch从抑制自发辐射的角度提出了这一概念的，而S.John则是光子的局域化角度提出的。由于这一突破给光子技术带来的应用前景，两位科学家的工作很快得到了世界各国科学家的强烈响应，并掀起了光子晶体的研究热潮。到1998年和1999年底，由于光子晶体的研究在多方面取得突破，与光子晶体相关的研究两度被Science杂志列为当年世界上的“十大科学进展”，并被该杂志评为预测为未来的六大研究热点之一。事隔7年以后，当光子晶体领域轰轰烈烈的淘金热刚刚有所降温的时候，Science杂志又于2006年底再次将光子晶体列为未来的自然科学的热点领域。
而另一类超材料――左手材料则是在2003年被Science杂志列为当年的“十大科学进展”。三年后的2006年底，由于英美两国科学家利用与左手材料的设计方法相类似的梯度超材料成功实现了“隐身斗篷”的功能，Science杂志又一次将其列为当年的“十大科学进展”。
众所周知，当今自然科学界受到较多关注的重大突破较多来自生物及医学领域，而物理学和材料科学领域则不是热点。而超材料的突破在近几年中能受到整个科学界持续的关注，其科学意义不言自明。
3、崭新的设计理念
“超材料”重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，也体现在它提供了一种全新的思维方法――这种思维方法对材料科学家来说是非常宝贵的，因为它为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。
基于“超材料”观念的材料设计方法是多种多样的。事实上，早在metamaterial的观念出现以前，甚至韦谢拉戈突出左手材料的设想以前，人们已经有过非常类似的尝试。一个典型的例子是多层陶瓷电容器（MLCC）。多层陶瓷电容器是70年代发明的一种电子元件。它是有陶瓷介质层和内电极交叠而成，相当于多个电容并联在一起，或使电容器的电极面积增加了若干倍。众所周知，对于平板电容器，其电容量与其中的电介质材料的介电常数、电极面积成正比，而与电容器厚度成反比。因此，如果我们不把多层陶瓷电容器看成是一个多层器件，而仅仅看成是由具有某一介电常数的陶瓷介质构成的单层平板电容器，即把其中的多层结构看成是一种“材料”（事实上是超材料），则该“材料”的表观介电常数可高达陶瓷介质的n2倍。这种结构的设计中，事实上也包含了metamaterial的设计思想，只是把没有最终的多层结构看成是一种“材料”，而是将其视为“器件”。随着材料技术的发展，“材料”的观念也在变化――以往人们“材料”的认识往往是“原材料”，而今天人们所研究的先进材料，很多都是具有在一定尺度上的结构调控。由此，广义的讲，可以吧MLCC中的多层结构本身看成是一种“材料”。而这种“材料”的性能将是普通材料所无法比拟的。
“超设计”一个较重要的理念是巧妙利用材料中的“关键物理尺度”。材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物理尺度有关。一个最直观的例子是晶体。晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式，它的有序主要存在于原子层次，正是由于在这个尺度上的有序性调制，使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征。由此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质。因此，人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。
对于材料与各种波的相互作用，波长尺度往往是材料的关键物理尺度。光子晶体是利用关键物理尺度的控制来实现材料超常物理性质的典型例子，它是通过在波长尺度上材料的介电周期结构来实现对光子在其中运动状态的调控的。
而在70年代初由诺贝尔奖获得者江崎等提出的半导体超晶格，则是基于通过半导体能带的周期结构调制其中电子运动的调控。因此广义的讲，半导体超晶格也可以看成上一种“超材料”。
事实上，在没有任何理论指导的情况下，人们就已经在实践经验的基础上来利用材料结构的调控来实现对各种波。一些调制声波的材料仅仅是利用在木板上钻出具有一定分布的空洞，即可获得一些奇特的声学性质。而在调控电磁波方面，一些半经验的天线结构设计也早在光子带隙理论提出之前就得到了应用。这些尝试其实都有“超材料”思想的影子。
最近，美国科学家M.Liu等人发展出的一种具有人工的软磁－硬磁复合材料[8]，则巧妙地利用了磁结构的关键尺度的调控，同时获得了一种既具有高的饱和磁化强度（软磁特性），又具有高的矫顽场（硬磁特性），因此该材料具有非常高的磁能积。这是普通意义上的复合所无法获得的性能。
材料的电磁性质的两个重要参数，一个是材料的介电性质，体现了材料对电场的影响，另一个是磁导率，体现了材料对磁场的相应。在一个以介电常数为横坐标、磁导率为纵坐标的坐标图上，我们可以分析各个象限电磁波传输的特性。通常人们所熟知的介质材料主要在第一象限，介电常数和磁导率皆为正值，电磁波可以正常传输。电场强度、磁场强度和坡印廷矢量遵守右手定则，波矢的方向（相速度的方向）和坡印廷矢量 的方向相同。在天然材料中，我们所熟知的介电材料可能有很高的介电常数，但其磁导率仅为1。而另一类材料，即铁磁材料，则只好相反，磁导率可以很高，但介电常熟很低。铁氧体是一类具有铁磁性的介质材料，其介电常数可以高于普通铁磁体，而磁导率可以高于普通介质，但遗憾的是，其介电常数和磁导率都不可能特别高。而按照超材料的设计思想，可以通过设计一些有序的介电－铁磁复合材料，使磁导率和介电常熟都相当高。
在第二和第四象限，介电常数或磁导率两者之一可取负值。根据电磁场理论，电磁波在其中无法传输，表现为倏失波，其振幅快速衰减。其中第二象限的材料（负磁导率材料）一般认为自然界中不存在（有关问题会在后面讨论），而金属在一定频段下属于第四象限，即可能有负的磁导率。而通过超材料的设计，这两个象限的材料都是可以实现的。
在第三象限，介电常数和磁导率两者同时取负值。这种材料在自然界中肯定是不存在的。但可以通过超材料的设计来实现，这就是后面所要介绍的“左手材料”。
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。
2008年10月10日
中广网上海10月10日消息（记者吴善阳通讯员董少校）最近，《自然》和美国物理联合会相继报道上海交通大学物理系马红孺教授课题组在超颖材料器件的理论研究方面取得的重要进展。8月6日，《自然中国（NatureChina）》以科技亮点的形式报道了他们设计的一种可以使一个狭缝的透光性质和一个宽窗户相同的超颖材料器件；9月2日，美国物理联合会（AmericanInstituteofPhysics）报道了他们设计的“反隐身衣（anti-cloak）”器件，利用这种器件，可以在隐身斗篷内产生破坏隐身衣隐身性能的效果，这为初步解决隐身衣内外之间无法通讯问题提供了新思路，也引起了国内外极大兴趣；9月22日，《自然（Nature）》网站以头条新闻形式报道了他们设计的超散射体和利用超散射体制作的隐藏之门，利用这个设计，只要用一小块超散射体置于大门的中间，整个大门看上去就和周围的墙融为一体，让人以为那里只是一面墙，但实际上，物体完全可以从大门的两侧自由进入，如同《哈利·波特》里为了去Hogwarts魔法学校上学，学生们首先要穿过的九又四分之三站台。
超颖材料是指一大类自然界不存在的、人工制备的、具有特殊性质的复合材料。1968年苏联物理学家Veselago首先在理论上分析了电磁波在具有负折射率的材料中传播时具有的奇特性质，但由于自然界不存在具有负折射率的材料，这一工作并没有得到重视。2000年，基于超颖材料方面的进展，Pendry重新提出负折射率材料这一概念并指出可利用它打破传统显微镜的分辨极限；同年，Smith等人设计制成了以开环振荡器作为单元器件的微波波段的负折射率复合材料。2006年，Leonhardt和Pendry分别基于变换光学的概念提出了隐身衣的概念，并由Smith等人在微波波段具体实现。今年8月，美国加利福尼亚大学伯克利分校的张翔教授制作出了接近可见光波段的超颖材料。
上海交大马红孺课题组主要从事软物质和复合材料以及电流变液等的理论研究，在复合介质、声子晶体等与超颖材料相关领域具有很好的研究基础。2007年，与香港科技大学物理系陈子亭教授课题组联合培养的博士生陈焕阳对于隐身衣的时间延迟等做了仔细研究，同时也提出了隐身衣的设计。课题组在2006年就注意到超颖材料的重要性并积极开始了调研，张海燕教授2006年在《大学物理》上以教学论文的形式仔细介绍了负折射率材料，详细分析了负折射的来源、限制条件等问题。博士生陈焕阳、顾永伟、杨涛等在罗旭东博士的带领下，具体进行了大量的解析分析、算法设计和程序设计。经过一年多的研究和积累，今年5月份开始做一些具体的超颖材料器件设计，物理系本科生张晓鹤同学也积极参与了讨论和计算。李晟博士、丁国辉博士、陈列文教授以及博士生杨明成、徐骏、何舢等都积极参与了讨论。在整个研究工作中，罗旭东博士和陈焕阳博士在思路的提出、计算和分析等各个环节上都做出了最重要的贡献。随着几个器件理论设计的发表和公开，立即得到了国际学术界的重视和报道。在这些报道中，报道者采访了这一领域的重要开拓者之一Pendry教授，Pendry教授对上海交通大学课题组的工作给予了很高的评价。
目前，课题组正在就几个重要的问题进行研究，并有望在近期得到更多的有重要科学意义的有趣结果；同时课题组也在深入探索涉及超颖材料的一些理论问题，期望能够有所突破，使超颖材料及器件的研究更加深入。
从隐身衣到“穿墙术”
[科学时报]超颖材料器件：“初看都与魔法无异”
2008年12月04日
今年10月，美国普渡大学的Shalaev教授在《科学》杂志对近期可能实现突破的超颖材料器件作了回顾和展望。国外媒体对此进行报道时说，哈里·波特的隐身斗篷有望在5年内变成现实。
本期关注：从隐身衣到“穿墙术”
罗旭东 博士，上海交通大学物理系副教授，从事声子晶体的理论与应用以及超颖材料器件的设计与分析方面的研究。今年，他和该系马红孺教授等人在超颖材料器件的理论研究方面取得重要进展。
图a：真空中的光线 图b：隐身斗篷效果图
千百年来，能否实现完美隐身始终是一个引人入胜的话题。隐身衣长期在科幻和魔幻作品里乐此不疲地大行其道，读者往往觉得它很神奇，但是不会把它当真。超颖材料的出现，不但让人看到了实际解决这一古老问题的希望，同时还带来了更多的惊奇。
超颖材料是指一类通过人工设计结构实现的、呈现出天然材料不具备的超常物理特性的复合材料。从几何光学的角度来看，它的引入可以使光线从一种材料进入另一种材料时，沿任意选定的方向折射。这种操控光线轨迹的能力，给了人们前所未有的自由来设计各种超乎寻常的光学器件，比如隐身衣。而借助精确的电磁散射理论，人们还发现了一些初看违背直觉的有趣结果，比如超散射体与“穿墙术”。
当代最杰出的科幻大师亚瑟·克拉克爵士在总结有关科学文化方面的经验时，曾经提出三条“克拉克基本定律”。其中第三定律说：任何足够先进的技术，初看都与魔法无异。从直观效果而言，超颖材料器件很好地诠释了这一定律。其光怪陆离的特性，给人的第一印象是类似于魔术表演；不过，这是一种无需魔术大师来实施，不但能对人眼，还能对电磁或者光学探测器达到相同“欺骗”效果的器件。
隐身斗篷
为了设计超颖材料器件，变换光学提供了一种整体设计的方法。下面以球形隐身斗篷为例，演示该方法是如何同时设计所有光线的行进方式，而各条光路之间却不会发生矛盾的。
假设真空中有两个半径分别为R1和R的同心虚拟球面。
光线的弯曲，除了可在由质量引起的弯曲空间中产生，也可以在非均匀电磁介质中得到，比如海市蜃楼就是源于非均匀空气层引起的光线弯曲。变换光学对图b就是采用了这样的材料解释：充满灰色区域的已不是真空，而是某种特殊材料；真空中的探测光线进入这种材料时，正好沿图中所示方向弯曲行进，最后沿原方向射出。这是一个隐身斗篷的隐身效果示意图！在这个新颖的解释中，我们所处的还是普通平直空间，但是小球的半径（即可供隐身的区域），已经从原来几乎为零的R1拓展到了R2，这使它具有了实际应用价值。
由于超颖材料可以让光线沿任意方向折射，图b中的光线轨迹是有可能在实验室实现的。那么，隐身斗篷材料的电磁参数应该如何选择呢？变换光学对此作了巧妙解答：由于两个图通过坐标变换相联系，利用坐标变换中Maxwell方程组的变换形式，就可以得到斗篷材料的电磁参数。这里需要用到一点张量变换的知识，最后得到的通常是非均匀且各向异性的超颖介质，也称为变换介质。
2006年，英国帝国理工学院的Pendry爵士用变换光学的方法提出了隐身斗篷的制造方案，同年美国普渡大学的Smith等人在微波频段获得了部分实现。浙江大学的孔金瓯等人和瑞典皇家工学院的仇旻等人，则从精确的电磁散射理论出发，对隐身斗篷的物理特性作了更细致的分析。
现在，科学家们已经提出了数种隐身斗篷制造方案。如宾夕法尼亚大学的Engheta等人、圣安德鲁斯大学的Leonhardt、犹他大学的Milton等人各自提出了隐身机制，特别是Pendry提出的基于变换光学的设计方法简洁明了，已经超出了单纯设计隐身斗篷的范围，开始大量应用于其他超颖材料器件的设计中，并获得了丰硕成果。比如旋转衣、电磁波集中器、波的移位与弯曲器件、窗户替代方案以及平板超几何透镜等。
变换光学的方法还应用到了声波的隐身问题中。利用声学超颖材料，杜克大学的Cummer等人、香港科技大学的陈焕阳和陈子亭分别提出了二维及三维声学隐身斗篷的设计方案。最近，法国的Farhat等人还设计了可对水中波浪起到隐身效果的器件，从而在理论上可以让建筑甚至某个小岛通过隐身的方式免于巨大海浪的威胁。
“穿墙术”
在前面所述的超颖材料器件中，对光线轨迹的操纵是在材料内部实现的，我们更多的是惊叹其光路设计之简洁、材料实现之巧妙。最近，上海交通大学教授马红孺领导的研究小组则发现了超颖材料的一种违背直觉的效应，为超颖材料的应用提供了新天地。
考虑真空中半径R2的虚拟圆柱。如果选择一个新坐标系，使得圆柱外的空间保持不变，圆柱内的空间被压缩到半径R1；那么，应该在R1
他们同时指出，如果半径R1的圆柱具有全反射表面，则在外界电磁波中，总散射效果相当于该表面越过互补介质区域，到达半径R2的虚拟圆柱表面（视觉边界）。也就是说，虽然柱形器件的实际物理半径只有R，但是电磁波探测到的将是一个具有更大半径R2的全反射圆柱，可称之为超散射体。稍后，浙江大学的孔金瓯等人也报道了从电磁散射出发，对三维情况作的类似研究。
上海交大的研究者接着提出了这样的设想：为了开一扇门，要先挖掉墙中一块墙体，形成门洞；如果在门洞中间放置一个这样的超散射体，即它的视觉效果正好与被挖掉的墙体一样，那么它看上去就和周围的墙融为一体，让人以为那里还是一面墙。实际上，由于超散射体物理尺度比门洞小很多，物体完全可以在超散射体与门框之间的空间自由出入。这可以看成一种“穿墙术”，或者《哈里·波特》系列丛书里，学生们前往Hogwarts魔法学校时，上火车前必须穿过的9又3/4站台。数值模拟的结果完全证实了这一设想。
上海交大的研究者还进一步讨论了超散射体的一些其他应用，包括可实现物体在视觉效果上变形与移位的方案，以及与香港科技大学合作提出的反隐身方案等。