1. 研究目的与意义及国内外研究现状

左手材料(lef t-handed metamaterials , lhms)是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工周期结构材料, 在其中传播电磁波的电场分量、磁场分量与波矢满足左手定则;群速度与相速度方向相反, 从而呈现出许多反常的物理光学现象, 如负折射效应、反常多普勒效应 、完美透镜效应，反常cherenkov 辐射等。左手材料的概念最早由前苏联科学家veselag o于1968 年提出, 但是由于自然界不存在这种性质特异的物质, 在近30 年内对其的研究几乎处于停滞状态。

20 世纪90 年代, 受到光子晶体研究的启发, 英国物理学家pendry 提出了分别实现负介电常数和负磁导率介质的理论模型, 重新开启了该领域的研究。pendry等研究发现周期性排列的导电金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为极为相似] , 可通过此种方法获得介电常数ε为负的材料;pendry 又进一步研究表明按不同方式排列的导电开口谐振环(splitring resonato rs , s rrs)的电磁响应行为与磁性材料相似, 尤其是该结构的磁导率μ在某一特定频率范围为负 。依据pendry 的设计思想, smith 等将srrs 和金属线按照一定的图案周期性排列而制备了一种人工结构材料, 并对其微波电磁响应行为进行了实验研究, 首次证实了负折射现象的存在。该发现激起了研究者的极大兴趣, 自此左手材料的研究工作成为科学界关注的焦点。

2. 研究的基本内容

通过数值模拟单个左手材料结构单元是最简便、直观的方法。首先是在pentry理论的基础上建立合适大小的单个结构的三维模型,结构单元的大小要考虑响应频率的高低,结构中材料如金属环距离结构侧面的最短距离要大于金属环的最小间距尺寸,以避免在模拟中,边界和结构的谐振破坏了结构体自身的谐振。实际的大小还要考虑加工的极限和真实的使用情况。根据对s参数曲线研究可以得出,如果结构单元具有负折射特性就必然存在电磁谐振,从传输曲线看,在某一频段曲线波峰波谷的变化。从相位曲线观察,在这一谐振频段下,相位的跳变。根据之前的介绍,电磁波在左手材料负折射频段传输时,其群速度的方向和波矢量无的方向相反,所以,在相位曲线中12ghz频率附近有可能具有负的折射系数。

通过电场、磁场、感应电流图进一步得出在负折射响应频段下的电磁场分布,根据已经证明的电磁响应模式,结合s参数曲线中响应频率和相位的变化从根本探索负折射形成机理。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

根据左手材料是由周期排列的相同结构单元组成,当单个单元结构远小于响应频率波长时,单元结构可以近似看作材料的原子,单个结构的响应频段下的电磁响应可以在某种程度上反应出材料的电磁特性。研究左手材料的结构,首先也是最根本的是研究单个左手材料结构的性质,再从周期排列的整体验证材料的负折射的性质。

利用hfss软件设计出一种负折射材料，按照导师和学院进度的完成各项要求。

4. 参考文献

[1]veselagov g.the electrodynamics of substances withsimultaneouslynegative values ofεandμ sov physusp,1968,10(4):509-514.