神奇的超材料和隐形材料(上)

2023-10-16 432

“神奇的超材料和隐形材料”


2006年,首次发布隐形材料

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    2006年10月,一个由英国和美国科学家组成的团队展示了,一种当时只有科幻小说才知道的突破性物理现象。世界上第一件隐形斗篷。由伦敦帝国理工学院约翰·亨德里克教授领导的团队与杜克大学合作,创造了一种直径约 12 厘米的小型装置,该装置具有重新定向周围微波辐射的固有特性,将装置隐藏在微小的扭曲中,使其对于微波检测而言几乎看不见。

通过结构来实现隐形

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    这一演示之所以特别引人注目,是因为这种微波隐形的特性并非来自物体的化学成分,而是来自其组成材料的结构。该团队展示了一种超材料的闭合特性。超材料是一种特意设计成具有一种或多种特性的材料这些特性是传统的天然材料所不具备的。

基本单元的重复排列

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    超材料的特性是从它们的结构,而不是直接从它们的基本成分获得这些性质。该结构由基本单元的重复排列形成,基本单元本身通常是由塑料和金属组成的复合材料形成。

尺寸和排列方式影响了电磁特性

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    这些基本结构的几何尺寸和排列决定了超材料如何影响电磁辐射的波长和性质。超材料之所以如此惊人,是因为它们操纵电磁波的本质。辐射可以被弯曲、放大、吸收或阻挡 其方式远远超越了传统材料的可能。

波的折射

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    大多数超材料的一个更值得注意的特性,是其内部发生折射的不寻常方式。折射是传播波从一种介质传播到另一种介质时方向的改变。虽然折射以各种方式发生,包括动力波,如声波。但它是一种最典型的与光有关的现象。波如何被反射是由其在介质之间的速度变化和波传播的初始方向决定的。

斯涅耳定律

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    对于电磁辐射,折射可以由斯涅耳折射定律确定。该定律指出,对于给定的一对介质,入射角和折射角的角度之比等于两种介质中的电磁波传播速度之比。当初始介质被定义为真空时,该比例被称为材料折射率。。

色散和透镜

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    这反过来,也导致折射角发生变化,这就是所谓的色散,正是这种现象导致棱镜将白光分为其组成颜色。光在介质中通过折射重新定向也是透镜如何起作用的关键原理。

天然材料都是正折射率,超材料可以有负折射率

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    每一种已知的天然材料对电磁波都具有正的折射率。然而,超材料可能会产生不直观、不自然的负折射。它们可以有效地逆转电磁波在其内部的传播,因为电磁波是由电场和磁场的耦合产生的。对于具有如此不自然折射率的超材料,决定这些场在物质中传播的两个参数是介电常数和磁导率来控制的。

介电常数和磁导率

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    介电常数是材料如何响应于所施加的电场而极化的量度。而磁导率是材料响应于所施加的磁场而获得的磁化的量度。这两个参数还表示当它们各自的场被施加和组合时存储在材料内的能量,它们决定了材料的折射率。

大多数材料具有正介电常数

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    大多数已知材料具有正介电常数值,它们是电绝缘体,但可以容易地电极化或称为电介质并表现出相对高的介电常数。

负介电常数的材料

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    相比之下,某些材料,如金属和等离子体,在特定频段表现出负介电常数。然而,还没有发现能使磁导率达到负值的材料。

超材料由晶胞设计而成

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    超材料是由晶胞设计而成,晶胞以类似于晶体的方式组织成重复结构。这些晶胞由具有自然介电常数和磁导率特性的传统材料组成。它们的尺寸也被设计为它们所操作的电磁辐射波长的一小部分。当电磁波通过超材料传播时,每个单元对辐射的响应以及这些相互作用的集体结果,会产生对电磁波的全新响应,这是天然材料不可能产生的。

    明天我们继续了解超材料的发现历史。      


文章源自:Achillesccj


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