超材料 - 中文百科知識

“超材料”（以負折射率介質為代表的新型人工電磁介質）使用複合諧振，可以使光在任何方向上彎曲；通過使周圍的光改變方向，很有可能覆蓋他們視覺以內的空間範圍。

如今數學家 ... 超材料 超材料是具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。

“Metamaterial”是21世紀物理學領域出現的一個新的學術辭彙，經常出現在各類科學文獻。

拉丁語“meta-”，可以表達“超出…、亞…、另類”等含義。

對於metamaterial一詞，目前尚未有一個嚴格的、權威的定義，各種不同的文獻上給出的定義也各不相同。

但一般文獻中都認為metamaterial是“具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料”。

概念美國科學家研製出超材料“超材料"是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工複合結構或複合材料。

通過在材料的關鍵物理尺度上的結構有序設計，可以突破某些表觀自然規律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能。

迄今發展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等。

“左手材料”是一類在一定的頻段下同時具有負的磁導率和負的介電常數的材料系統(對電磁波的傳播形成負的折射率)。

近一兩年來“左手材料”引起了學術界的廣泛關注，曾被美國《科學》雜誌評為2003年的"年度十大科學突破"之一。

但是"超材料"這一新的觀念尚未被學術界，特別是材料學界完全接受。

不過，作為一種材料設計理念，已開始為越來越多的學者所關注。

特徵metamaterial重要的三個重要特徵：（1）metamaterial通常是具有新奇人工結構的複合材料；（2）metamaterial具有超常的物理性質（往往是自然界的材料中所不具備的）；（3）metamaterial性質往往不主要決定與構成材料的本徵性質，而決定於其中的人工結構。

製造研究超材料獲得從metamaterial的定義中可以看出，超材料的性質和功能主要來自於其內部的結構而非構成它們的材料。

因此，早期的“超材料”研究與材料科學無緣。

無論是左手材料還是光子晶體，最早開展研究的都是物理學家，而此後由於可能的套用，一些電子科學家進入了這一領域。

事實上，要獲得理想的“超材料”，“材料”的選擇是至關重要的。

對於光子晶體材料，人們在實驗上長期追求的目標是實現光頻段的完全光子帶隙。

科學家選擇了銀作為介電背景，銀在可見光範圍的折射率在0.2-0.4左右，且有很好的透光性。

利用化學過程將銀引入到聚乙烯微球晶體，結果獲得了具有接近完全帶隙的光子晶體。

利用材料科學的原理，把各種功能材料引入“超材料”系統，有可能獲得具有新功能的超材料或器件。

生產製造不同波長的光線能夠被特殊波導的不同位置捕獲，形成彩虹美國與中國台灣科學家利用已廣為光學工業界接受的斜角沉積(obliqueangledeposition,OAD)技術為基礎，發展出一項可以大規模生產光學超材料(metamaterial)的技術。

該小組以伯這種技術在矽基板上製作銀納米柱(nanorod)構成的薄膜，該薄膜能以特殊的方式操控光，在光電產業上具有廣泛的套用。

超材料引起了不少研究興趣，主要是因為它具有製作隱形斗蓬(invisiblecloak)及超級透鏡(superlens)的潛力。

然而，截至目前製作出來的超材料只能在有限的頻率範圍內工作，而且很難大量生產。

為克服這個問題，台北科技大學的任貽均(Yi-JunJen)等人採用了斜角沉積法來製作超材料。

斜角沉積法顧名思義是在真空中以傾斜角度將薄膜材料沉積在基板上。

任貽均等人先以電子轟擊銀塊材使其氣化，然後讓銀蒸氣沉積在2英寸厚的矽基板上，通過調整基板的傾斜角度，讓銀在自我遮蔽效應(self-shadowingeffect)作用下，優先朝蒸氣注入的方向生長成納米柱。

長成的銀薄膜厚240nm，銀納米柱長650nm、寬80nm，並與基板法線夾66度角。

研究人員以波長介於300至850nm的光照射樣品以測量其光學特性，結果發現在波長介於532至690nm間會產生負折射，而理論上該系統在可見光波段(380-750nm)都會產生負折射。

賓州州立大學的AkhleshLakhtakia表示，雖然其它團隊也曾製作這類薄膜，但從未有人採用雙軸介電-磁性材料(biaxialcielectric-magneticmaterial)。

他指出，由於斜角沉積法是一種平面技術，它應該能輕易地與微電子製程整合。

該團隊接下來將研究薄膜形貌的影響，並開始研發層狀結構以降低能量的衰減。

套用研究吸收所有光線隱身衣技術需要超材料來自美國波士頓學院和杜克大學的科學家研究小組研製出一種高效超材料(metamaterial)，能夠吸收所有到達其表面的光線，達到光線完全吸收的科學標準。

這項研究報告發表在2008年6月出版的《物理評論快報》上。

波士頓學院物理學家威利·J·帕迪利亞說，“當光線打擊材料介質時會出現三種情況：光線被反射，比如光線照射鏡面時；光線被傳播，比如光線照射在玻璃窗戶上時；最後一種情況就是光線被吸收並轉換成熱量。

這種最新設計的超材料可以確保光線既不被反射，也不在其中傳播，而是將光線完全吸收轉換成熱量。

我們設計的超材料具有特殊的頻率可以吸收所有打擊在其表面上的光量子。

”該研究小組除帕迪利亞之外，還包括波士頓學院研究員內森·I·蘭迪和杜克大學大衛·R·史密教授、研究員索基·薩吉伊格比和傑克·J·莫克。

研究小組基於之前用於設計共鳴器的作用場，用計算機模擬實現了電場和磁場結合在一起能夠成功吸收所有放射光線。

由於這種超材料成份可以分別吸收電磁波的電場和磁場，從而可以較高地吸收窄頻範圍的光線。

帕迪利亞稱，這種超材料第一次示範了對光線的完全吸收，它不同於獨立建造於金屬元件的傳統吸收材料，現使該材料更加柔韌，適合套用於收集和探測光線。

超材料的設計賦予其新的特徵，突破了它本身的物理成份限制，能夠依據光線放射程度進行“剪裁定製”。

由於該材料的設計基於幾何等級，這種超材料可以套用於相當數量的電磁光譜。

超材料用於3D顯示“超材料”（以負折射率介質為代表的新型人工電磁介質）使用複合諧振，可以使光在任何方向上彎曲；通過使周圍的光改變方向，很有可能覆蓋他們視覺以內的空間範圍。

如今數學家已經給出了一幅藍圖，空心光纖內鑄入“超材料”製造出有覆層的管道，每個這種管道可以掩蓋從平面象素陣列過來的光，可以進行3-D顯示。

在3-D中對微小覆層管道的排列，除了發光的一端，從平面象素陣列過來的光可以通過光纖而不被看到，這就好像光是浮在空中一樣。

“光通過一個物體的一端，看著它在管道中消失，卻在另一端重新看見光”，羅徹斯特大學研究“超材料”的教授Greenleaf介紹說。

根據研究者的介紹，在3-D顯示中採用這種原理，要求光從象素的平面陣列中通過光纖到達它們應在的空間位置上。

光從“超材料”製造的空心光纖投射下來，周圍的光繞著管道改變方向，使這些光不可見。

另一方面，從象素的平面陣列過來的光，不可見地通過每根光纖，在三維空間的特定位置上發光。

通過在空間中對數以千計這種象素的排列，可以使得3-D顯示簡單地浮現在空中。

Greenleaf和他的同事警告說利用“超材料”管道進行3-D顯示是一個未來多年的長期目標，但是短期內可以運用到醫學上，比如，“超材料”管道可以掩蓋外科醫生內視檢查中的不需要的部分，通過穿過“超材料”管道的光，外科醫生可以有效地隱藏除了他的工具外的其他可見物，可以更快，更準確地進行內視檢查。

Greenleaf和他的合作者還未製造出“超材料”管道，不過，他們聲稱可以製造出藍圖可以讓其他製造者參照。

特別地，“超材料”需要對負折射率的設計，所以可以使光在管道中從一個方向轉為另外一個方向，就好像覆層管道幾乎不存在一樣。

研究者的藍圖包括管道內“超材料”塗層的一系列的參數設定。

Greenleaf的合作者包括芬蘭赫爾辛基理工大學教授MattiLassas，倫敦大學學院教授YaroslavKurylev和華盛頓大學教授GuntherUhlmann。

隱形功能具有諷刺意味的是，超材料曾被認為是不可能存在的，因為它違反了光學定律。

然而，2006年，北卡羅來納州的杜克大學（DukeUniversity）和倫敦帝國理工學院（ImperialCollege）的研究者成功挑戰傳統概念，使用超材料讓一個物體在微波射線下隱形。

儘管仍有許多難關需要克服，但我們有史以來頭一次擁有了能使普通物體隱形的方案（五角大樓的國防高級研究計畫署［ThePentagon’sDefenseAdvancedResearchProjectAgency，DARPA］資助了這一研究）。

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