神奇的超材料和隱形材料（上）

2023-10-16 487

“神奇的超材料和隱形材料”

2006年，首次發(fā)布隱形材料

2006年10月，一個(gè)由英國(guó)和美國(guó)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)展示了，一種當(dāng)時(shí)只有科幻小說(shuō)才知道的突破性物理現(xiàn)象。世界上第一件隱形斗篷。由倫敦帝國(guó)理工學(xué)院約翰·亨德里克教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)與杜克大學(xué)合作，創(chuàng)造了一種直徑約 12 厘米的小型裝置，該裝置具有重新定向周圍微波輻射的固有特性，將裝置隱藏在微小的扭曲中，使其對(duì)于微波檢測(cè)而言幾乎看不見(jiàn)。

通過(guò)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)隱形

這一演示之所以特別引人注目，是因?yàn)檫@種微波隱形的特性并非來(lái)自物體的化學(xué)成分，而是來(lái)自其組成材料的結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)展示了一種超材料的閉合特性。超材料是一種特意設(shè)計(jì)成具有一種或多種特性的材料這些特性是傳統(tǒng)的天然材料所不具備的。

基本單元的重復(fù)排列

超材料的特性是從它們的結(jié)構(gòu)，而不是直接從它們的基本成分獲得這些性質(zhì)。該結(jié)構(gòu)由基本單元的重復(fù)排列形成，基本單元本身通常是由塑料和金屬組成的復(fù)合材料形成。

尺寸和排列方式影響了電磁特性

這些基本結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和排列決定了超材料如何影響電磁輻射的波長(zhǎng)和性質(zhì)。超材料之所以如此驚人，是因?yàn)樗鼈儾倏v電磁波的本質(zhì)。輻射可以被彎曲、放大、吸收或阻擋其方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)材料的可能。

波的折射

大多數(shù)超材料的一個(gè)更值得注意的特性，是其內(nèi)部發(fā)生折射的不尋常方式。折射是傳播波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)方向的改變。雖然折射以各種方式發(fā)生，包括動(dòng)力波，如聲波。但它是一種最典型的與光有關(guān)的現(xiàn)象。波如何被反射是由其在介質(zhì)之間的速度變化和波傳播的初始方向決定的。

斯涅耳定律

對(duì)于電磁輻射，折射可以由斯涅耳折射定律確定。該定律指出，對(duì)于給定的一對(duì)介質(zhì)，入射角和折射角的角度之比等于兩種介質(zhì)中的電磁波傳播速度之比。當(dāng)初始介質(zhì)被定義為真空時(shí)，該比例被稱為材料折射率。。

色散和透鏡

這反過(guò)來(lái)，也導(dǎo)致折射角發(fā)生變化，這就是所謂的色散，正是這種現(xiàn)象導(dǎo)致棱鏡將白光分為其組成顏色。光在介質(zhì)中通過(guò)折射重新定向也是透鏡如何起作用的關(guān)鍵原理。

天然材料都是正折射率，超材料可以有負(fù)折射率

每一種已知的天然材料對(duì)電磁波都具有正的折射率。然而，超材料可能會(huì)產(chǎn)生不直觀、不自然的負(fù)折射。它們可以有效地逆轉(zhuǎn)電磁波在其內(nèi)部的傳播，因?yàn)殡姶挪ㄊ怯呻妶?chǎng)和磁場(chǎng)的耦合產(chǎn)生的。對(duì)于具有如此不自然折射率的超材料，決定這些場(chǎng)在物質(zhì)中傳播的兩個(gè)參數(shù)是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率來(lái)控制的。

介電常數(shù)和磁導(dǎo)率

介電常數(shù)是材料如何響應(yīng)于所施加的電場(chǎng)而極化的量度。而磁導(dǎo)率是材料響應(yīng)于所施加的磁場(chǎng)而獲得的磁化的量度。這兩個(gè)參數(shù)還表示當(dāng)它們各自的場(chǎng)被施加和組合時(shí)存儲(chǔ)在材料內(nèi)的能量，它們決定了材料的折射率。

大多數(shù)材料具有正介電常數(shù)

大多數(shù)已知材料具有正介電常數(shù)值，它們是電絕緣體，但可以容易地電極化或稱為電介質(zhì)并表現(xiàn)出相對(duì)高的介電常數(shù)。

負(fù)介電常數(shù)的材料

相比之下，某些材料，如金屬和等離子體，在特定頻段表現(xiàn)出負(fù)介電常數(shù)。然而，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能使磁導(dǎo)率達(dá)到負(fù)值的材料。

超材料由晶胞設(shè)計(jì)而成

超材料是由晶胞設(shè)計(jì)而成，晶胞以類似于晶體的方式組織成重復(fù)結(jié)構(gòu)。這些晶胞由具有自然介電常數(shù)和磁導(dǎo)率特性的傳統(tǒng)材料組成。它們的尺寸也被設(shè)計(jì)為它們所操作的電磁輻射波長(zhǎng)的一小部分。當(dāng)電磁波通過(guò)超材料傳播時(shí)，每個(gè)單元對(duì)輻射的響應(yīng)以及這些相互作用的集體結(jié)果，會(huì)產(chǎn)生對(duì)電磁波的全新響應(yīng)，這是天然材料不可能產(chǎn)生的。

明天我們繼續(xù)了解超材料的發(fā)現(xiàn)歷史。

文章源自：Achillesccj

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