开题报告
应用物理
电磁波在左手材料中的传输特性
一、选题的背景与意义
近几十年来，物理学在先进材料领域的研究发展取得了巨大的不可思议的令人欢庆鼓舞的成就，如果在几十年前你很难想象哈利波特里才有的隐形衣材料在理论上已经发展成熟并且实验室里已经能初步有了实物雏形。

这就是在近十年间横空出世掀起研究狂潮的一种具有不可思议性能的人工复合材料，俗称左手材料。

左手材料的研究要追溯到上世纪60年代前苏联科学家的假想。

物理学中，介电常数ε和磁导率μ是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。

在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系,这样的物质被称为右手材料(right-handed materials,RHM)。

这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。

1967年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。

他称这种假想的物质为左手材料(left-handed materials,LHM)，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。

然而左手材料的研究发展并不一帆风顺。

在这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中并未发现实际的左手材料，所以，这一怪诞的假设并没有立刻被人接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到时光将近本世纪时才开始出现转机。

直至
1998~1999年英国科学家Pendry等人提出了一种巧妙的设计结构可以实现负的介电系数与负的磁导率，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。

2001年的突破，使左手材料的研究在世界上渐渐呈现旋风之势。

2001年，美国加州大学San Diego分校的David 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。

此后至今的十年间，研究成果层出不穷。

但仍有未待解决的难题。

其一，阻抗匹配和吸收损耗问题导致光学频段的左手材料和复合左／右手传输线的构造是电磁超介质研究的难点之一。

金属在光频段的特性类似等离子体，但与光频段的导体(磁性“消失”)不同，使得由金属结构构成的电磁超介质很难移植到光频段，而且金属结构电介质的光学波长数量级尺寸也为电磁超介质单元结构的制作提出了严峻的挑战。

不幸的是，至今尚未有实现非金属结构电磁超介质的报道。

其二，大多左手材料实验基本上是在微波波段进行的。

随着左手材料研究的不断深入，其工作频段日益朝太赫兹频段、红外频段、甚至光频段发展，结构尺寸日益朝小型化发展。

目前，由于没有研制出能让太赫兹电磁波有效反射、折射、聚焦和成像的设备，这方面技术过去一直没有得到实质性的发展。

意义。

研究左手材料的意义之重大不言而喻，首先在其应用性能上就无比令人振奋的，2004年，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片，但是他们的技术要求被观察的物体几乎接触到镜片，这一前提使其在实际应用中难以操作。

同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。

2009年初，美国杜克大学和中国东南大学合作，最近成功研制出微波段新型“隐形衣”，这一研究成果发表在年初出版的《科学》杂志上。

另外，还在研究中的太赫兹段的左手材料（远红外射线，频率在0.1THz到10THz，波长在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间）是一个备受关注的领域，太赫兹电磁波介于红外与微波之间，具有较强穿透能力，又不对人体造成伤害，在军事、反恐、医学等领域具有非常广阔的应用前景，可用于新型雷达、全天候导航设备、远距离发现衣物内隐藏武器的探测仪器、质量检测设备、医学成像等，其应用于通讯系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的移动电话或者是容量更大的储存媒体；等效的负折射媒质电路可以有效减少器件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能等等。

一旦左手材料研究成果进入商业应用阶段，对于人类设计新型功能材料的提供全新的广阔的空间，将对生物学等科研领域带来重大变化，这对于研究病毒入侵细胞的机制、新药筛选等都会产生重大影响。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题
研究的基本内容：
1左手材料的概念及国内外研究现状
2左手材料表面电磁波的反射特性
3左手材料介质中电磁波传播特性
4前景及相关应用
拟要解决的主要问题：
1前阶段能够清楚的描述左手材料的概念、国内外研究现状及电磁波在左手材料中的传输特性。

（必须做到的要求）
2在前阶段掌握较好的情况下争取能够展望未来的应用前景或者利用左手材料的特异性设计相关产品。

三、研究的方法与技术路线
1通过查阅大量的国内外相关文献。

2结合本科阶段所学的学科知识，主要是电动力学，原子物理，量子力学以及材料科学相关的书籍研读精读已有的国内外具有重要参考价值的论文文献。

3通过自觉专研及向同学导师求教讨论的方式掌握电磁波在左手材料中传播及反射的特性理论。

4最后还要自己整理综合各方面的文献内容及相关知识完成最后的答辩定稿。

四、研究的总体安排与进度
1月1日—— 1月31日通过阅读大量文献，完成对左手材料概念性能深刻理解，对国内外研究现状有全方面认识。

2月1日——2月28日通过对已有相关知识的重新学习结合已阅读文献基本掌握电磁波在左手材料中传播及反射的特性理论以及做好后阶段应用前景或者左手材料特异
性能设计产品。

3月1日——4月4日完成初稿
4月5日——4月29日定稿
4月30日——5月4日答辩
五、主要参考文献
1．Huanyang Chen, Jack Ng, C. W. Jeffrey Lee, Yun Lai, and C. T. Chan，General transformation for the reduced invisibility cloak, Phys. Rev. B 80, 085112 (2009) 2.Mauro Cuevas and Ricardo A. Depine, Radiation Characteristics of
Electromagnetic Eigenmodes at the Corrugated Interface of a Left-Handed Material, Phys. Rev. Lett. 103, 097401 (2009).
3. 田秀劳, 左手材料的奇异特性, 西安邮电学院学报, 3期（2 0 0 6）131。

4．吴闻迪，召兵，吴福全，李杰斌，左手材料和负折射，曲阜师范大学学报，1期（2009）60。

5．晏伯武，左手材料的设计和研究进展，兵器材料科学与工程, 32期(2009) 94.
6. 李瑞莲, 左手材料的电磁特性, 人工晶体学报, 2期（2008）316.
7. 岑洁萍，石刚，樊莉，叶晓山，刘拥军，左手材料表面的电磁波反射特性，扬州大学学报，4期（2009）22.
8. 蒋练军，熊翠秀，金辉霞，左——右手系材料界面上的表面波，湖南城市学院学报，2期（2009）48.
9. 田秀劳，光波在左手材料中的菲涅尔公式和布儒斯特定律，光子学报，7期（2006）34.
10. 张正仁，隆正文，电磁波在左手材料中传播形成椭球和球形的色散关系，贵州大学学报，3期（2009）。