什么是超材料？超材料的電磁特性和應用領域分析

什么是超材料

超材料(Metamaterial，MM)，又稱"超構材料""超常材料"或是"特異材料"，是指具有天然材料所沒有的超常物理特性的等效均勻的人工復合結構或材料。

超材料一般是由人工設計的、周期均勻分布的、亞波長尺寸的金屬微結構組成，通過這些金屬結構與入射電磁波之間的耦合實現了特定的電磁響應。

超材料既具有亞波長尺寸結構，又是周期性均勻分布，因而當相應波長電磁波入射進入超材料時并不能"分辨"超材料的結構細節，所以相對于入射電磁波，超材料更像是均勻的"介質"。

這種特殊的"介質"其電磁特性是由每個周期單元的結構特性所決定的，包括單元結構的形狀、尺寸、金屬種類、周期等等。通過設計、優化結構單元的這些參數，就可W實現對于整體超材料電磁特性的調控，所以超材料的結構單元可以看作是電磁特性可控的"人工原子"，而超材料就是由這些"人工原子"所組成的。

超材料的電磁特性

超材料的電磁特性可以用介電常數和磁導率兩個等效結構參數來描述。這兩個參數進一步決定了材料的等效折射系數，從而可以很方便的描述電磁波在超材料中的傳播和折射等物理過程。

基于超材料電磁特性的可設計性質，理論上可以利用超材料在任意波段實現任意的介電常數、磁導率或是折射系數，這大大突破了自然界物質有限電磁特性的這一限制，拓寬了可研究的頻譜范圍和電磁特性范圍。

超材料應用領域

超材料概念的提出，給電子學、光學、聲學等領域帶來了廣泛而深遠的影響，其在衛星通信、移動通信、超聲波成像和醫學成像等民用領域有著極大的應用前景。

超材料在軍事領域同樣有巨大的應用潛力。以電子戰、信息戰為主要作戰方式的現代戰爭條件下，作戰單位的生存面臨精確制導武器的極大威脅，利用超材料超常電磁特性實現的應用有望顯著降低武器裝備被敵方探測的可能性，極大提高作戰單位戰場生存能力。

應用詳情舉例：

超材料在超分辨成像領域的應用：基于超材料制備的負折射材料相比自然界存在的介質存在許多新穎的電磁特性，，光線經過負折射材料時，折射光與入射光處于法線的同一側。利用這一特點，只需要平面結構的透鏡即可對物體進行成像，這就避免了凸透鏡、凹透鏡等曲面透鏡成像過程中造成的像差和球差，使得成像更完美。

另一方面，由于近場光攜帶更多的物體表面信息，利用近場光成像可以突破波長限制實現超高分辨率的成像。但在普通介質材料中，近場信號會很快衰減，而利用負折射材料中能量傳播方向的改變，可得到更強的物體表面近場信號從而實現超高分辨率成像。

總而言之，在利用超材料實現負折射材料的制備基礎上，可以實現成像領域對于曲面透鏡的依賴，減小成像誤差，并利用近場信號得到分辨率方面極大的提升。

超材料在變換光學領域的應用：基于手性結構的各向異性，同樣可以制備出具有各向異性的手性超材料，從而對不同偏振態的入射光，超材料會表現出不同的電磁響應特性，同時還可以實現對于偏振態的旋轉作用，這無疑為變換光學領域提供了強大的實驗制備和實現手段。研究人員已制備了具有空間各向異性的手性超材料，并成功實現了對于電磁波偏振態的調控。

更多行業知識，敬請關注三個皮匠報告行業知識欄目。

推薦閱讀

《中國移動：6G信息超材料技術白皮書(2022)(28頁).pdf》