摘要：  近十多年来，“左手材料”这个名词开始在一些专业媒体或会议上出现，这种源于上世纪60年代，由前苏联科学Veselago假设提出的人工复合材料在固体物理学、材料科学、光学和电子电磁学等领域受到广泛的重视，对左手材料的研究正迅速发展，成为这些领域的研究热点。

关键字：  左手材料，

1 概述
近十多年来，“左手材料”这个名词开始在一些专业媒体或会议上出现，这种源于上世纪60年代，由前苏联科学Veselago假设提出的人工复合材料在固体物理学、材料科学、光学和电子电磁学等领域受到广泛的重视，对左手材料的研究正迅速发展，成为这些领域的研究热点。
什么是“左手材料”呢？认识左手材料，我们就必须从其假想提出时人们已熟知的“右手材料”说起：在物理学科的经典电动力学理论中我们懂得，介电材料的电磁特性由介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数描述。在自然界中，物质的ε和μ值都是正的，当电磁波穿越其中时，描述电磁波传播特征的三个物理量——电场方向E、磁场方向H和电磁波的传播方向K构成与三维空间坐标一一相应的右手螺旋关系，这就是物理学理论中经典的“右手定则”。E、H、K三者的规律被认为是物质世界的常规，是物理学界不可动摇的基本定律（见图1所示）。与此相应的是，自然界中存在的符合“右手定则”的介电材料即被称为“右手材料”。所以，“左手材料”就是一种介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工复合材料。由于它存在着反常的多普勒(Dopple)效应，反常的切连科夫(Cherenkov)效应、负相速度、负折射效应、完美透镜（理想成像）等等奇异的物理性质。“左手材料”颠倒了物理学的“右手定则”。
由于左手材料的介电常数和磁导率都是负数，所以也被称之为“双负”介质材料或“负折射”系数材料，还有一个名称是“特异材料”。然而，自然界中并不存在ε和μ值同时小于零的物质，所以，左手材料是利用人造构成要素替代原子和分子，以类似结晶结构规律形成的新传输介质，或者通过人工分别设计负介电常数材料和负磁导率材料，将两种材料组合起来从而实现左手材料；也可以通过单一结构同时实现“双负”，同一结构同时出现负介电常数和负磁导率的前提是在某一频率范围内能同时出现磁谐振和电谐振。
2 左手材料的研究进展
左手材料的研究进展并不一帆风顺。1967年，前苏联物理学家Veselago发表论文，首次报道了他们在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当物质的介电系数ε和磁导率μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系，并称这种假想的物质为左手材料。在这一具有颠覆性的概念提出后的三十多年间，在自然界并未发现实际的左手材料，所以一直停留在理论研究上，也没有被人们广泛接受。直到1998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和负的磁导率，由此，左手材料的研究工作出现了转机。人们开始对这种材料越来越感兴趣，渐渐呈现旋风之势。
2.1 国外左手材料研究进展
2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等科学的设计结构原理，首次利用以铜为复合材料的开口谐振环和电谐振器（如开口金属线）组成的阵列，实现-ε和-μ的“双负”材料。这是一种在微波波段具有负介电系数、负磁导率的“双负”材料，使用一束微波射入铜环和铜线构成的人工材料，微波将以负角度偏转，这就证明了左手材料的存在。
2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出了三维(3D)的左手材料，这项成果可能对电子通讯产生重大影响，相关的研究成果也发表在当月的美国出版的《应用物理快报》上。同年年底，美国麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并称这种人工介质可以用来制造高指向性的天线，聚焦微波波束，实现“完美透镜”，用于电磁波隐身等等。自此，左手材料的应用前景开始引发学术界、产业界，尤其是军方的无限遐想。[#page#]
2003年，这一年是左手材料研究获得多项突破、取得丰硕成果的一年。美国西雅图Boeing Phantom Works的C. Parazzoli与加拿大University of Toronto电机系的G.Eleftheriades所领导的两组研究人员在实验室直接观测到了负折射定律。Lowa State University的S.Foteinopoulou也发表了利用光子晶体做介质的左手物质理论仿真结果；美国麻省理工学院的E.CubuKcu和K.Aydin在《自然》杂志发表文章，描述了电磁波在两维(2D)光子晶体中的负折射现象实验结果。基于科学家们的多项发现，左手材料的研究被美国《自然》杂志评为2003年度全球十大科学进展，因此也引起了全球瞩目。
2005年，美国印第安那州普渡大学首次成功开发了波长为1.5μm的红外线区域呈现负折射率的人造介质——左手性特异材料，它们可用于光通信控制领域。
2008年，德国斯图加特大学利用双模板辅助化学电沉积法制备了周期性排列的金属银树枝陈列，分别在120THz和200THz附近实现了负介电系数和负磁导率，发现它们在红外波段具有很强的透射通带，并且在对应频率上表现出明显的平板聚焦效应，得到了红外线波段的左手材料。这是首次采用化学方法制备左手材料，对左手材料的研究发展起到了巨大的推动作用。
2009年初，美国杜克大学和中国东南大学合作，成功研制出了微波波段新型“隐形衣”。这一研究成果发表在当年年初出版的《科学》杂志上。我国东南大学与美国杜克大学合作研究左手材料及其应用是2006年开始的，他们在新型人工左手材料的理论研究、分析、设计、实验和应用上取得了一系列成果。
2.2 我国国内左手材料的研究进展
左手材料及其应用的研究已引起我国有关学科科学家们的高度关注，许多大学和科研机构先后涉足这种材料的研究，如复旦大学、同济大学、上海理工大学、中科院物理所、南京大学、北京大学、西北工业大学、东南大学、哈尔滨工业大学、香港科技大学等等。2005年，国家自然科学基金委将左手材料和负折射效应的研究列入了重点交叉科研项目的指南中；在中科院数理部和材料学部联合颁发的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”主题中，将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要探索内容之一；在数理部和信息科学部联合决定的“周期和非财期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微结构中的太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究”列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“异向介质（左手材料的另一个名称）理论与应用基础研究”列入了2005年重点项目指南。
国内涉足左手材料研究的若干单位及成果简介如下。
2004年，左手材料研究的国际学术界开始出现上海科学家的身影。“973”光子晶体项目首席科学家、复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与设计，利用水的表面波散射，成功实现了左手介质超平面成像实验。其论文发表于著名的《美国物理评论》杂志上，立即引起了学术界的高度关注，被推荐为《自然》杂志焦点新闻之一。同济大学波耳固体物理研究所以陈鸿教授为首的研究小组从2001年开始对左手材料开展研究，经过两年努力，在基础理论和材料的制备与表征方面取得了重大进展，其成果在国际物理学著名刊物上发表，在2004年的国际微波与毫米波技术大会上作大会报告，并在2005年在日本召开的国际微波与光学技术研讨会上作特邀报告。
以上提到，利用开口谐振环和开口金属线组成阵列分别实现负磁导率和负介电系数，但这种陈列方式的复杂性增加了制作难度。我国科学家研究的思路是采用单一结构同时实现“双负”，已见报道的有浙江大学的“S”形，复旦大学的“工”形，西北工业大学的“H”形等。2008年6月，西安交通大学采用一种“巨”字形结构，利用丝网印刷在氧化铝基板上进行加工制作，获得了单一结构同时具备磁谐振和电谐振结构组成的左手材料，并且由于谐振区域的重合而形成“双负”区域，图2是采用丝网印刷技术制作的“巨”字结构“双负”材料样品。[#page#]
2008年8月，西北工业大学理学院赵鹏研究组采用双模板辅助化学电沉积制备金属银树枝状结构陈列，制备出了平方厘米级的红外左手材料。2009年9月，他们制备出了蓝光波段左手材料。采用双模板辅助化学电沉积法，以聚苯乙烯小球为初级模板、二维ZnO有序多孔薄膜为二级模板，在最佳条件下制备出了大面积(2cm2)银树枝状结构的周期性陈列，可见光透射峰的出现和聚焦实验证实，银树枝结构阵列在蓝光波段480nm处实现了左手效应。
2009年，东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授在计算电磁学和新型人工电磁材料等领域做出了很多原创性的研究成果。在此基础上与美国杜克大学合作，研制出了新型“隐形衣”等理论分析、设计、实验和应用的一系列成果。2009年11月，崔铁军和程强为首的研究团队成功地制作成了人造电磁学收集器，在微波环境中，它能像宇宙中的“黑洞”一样去吸收环境中的微波。该成果引起了世界科技界的高度关注，《自然》网站也以“科学家研制出可携带黑洞”为题介绍了该研究成果。崔教授课题组在左手材料研究与应用方面的成果在不断延伸与发展。
中国科学院物理所磁学国家重点实验室广泛开展新型磁性功能材料如铁磁性形状记忆合金，各种高频（直到10GHz~100GHz范围）的高磁导率、低损耗DC变换器材料与左手材料研究；该所的微加工实验室在低维人工结构材料制作与应用研究方面着重开展了二维不同结构光子晶体和左手材料、超导量子结构与器件等研究。
香港科技大学的纳米科技研究所所长陈子亭教授是国际知名的凝聚态物理与光子晶体理论研究专家，在光子晶体与左手材料研究上颇有成果。
南京大学电子科学与工程系冯一军教授等承担着国家重点基础研究发展计划973项目中新型人工电磁介质的理论与应用研究以及左手人工电磁材料与微波器件的开发。
同济大学波耳固体物理研究所的陈鸿教授、张冶文教授等人在左手材料与负折射效应的基础理论、表征手段和器件应用等方面已取得突破。
复旦大学以“973”项目首席科学家资剑教授及周磊教授等为首，在左手材料超平面成像、表征与微波天线等器件的应用方面已取得重大进展，目前正与同济大学、华东师范大学、中科院微系统所、南京大学、美国UCLC及AMES等科研机构开展这一领域的合作研究。
上海理工大学光学与电子信息工程学院的庄松林院士在长期的应用光学、光学工程和光电子学研究中设计了百余种光学系统及仪器，在复物体的位相恢复研究中提出了多种光学方法，开创了该领域的研究新方向。他们所研制硒化镉(CdSe)液晶光阀达到了当时的国际先进水平。
国内还有许多高等院校和科研机构的科学家在展开左手材料与器件以及应用的研究，此不一一介绍。
3 左手材料的应用前景
左手材料广阔的应用前景取决于它的制造技术实现。Pendry教授在2000年曾建议制作“超级透镜”（也称理想棱镜）以实现左手材料的应用。这一建议于2004年成为现实，科学家利用左手材料成功制造出了平板微波透镜。2004年2月，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，被其观察的物体几乎要接触到镜片，故其在实际应用中难以操作。同年，加拿大多伦多大学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。这两项研究成果被国际物理学会评为2004年度最具影响的研究进展。
左手材料的研究已从微波发展到太赫兹以及光波波段。微波波段左手材料广泛应用于微波器件，如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、宽带相移器、微带巴伦功分器、谐振器、移相器等等。这些器件应用于武器装备，可以有效提高性能。
左手材料天线具有重量轻、灵敏度高和方向性好的优点，是雷达、战斗机、GPS导航系统等的优选。利用左手材料中电磁波的反切仑科夫辐射，可以制备后向波辐射天线。
左手材料红外波段磁响应的实现可以应用于生物安全成像、生物指纹识别、恶劣天气导航、微型谐振腔等。
左手材料可见光波段可以制作能突破衍射极限的透镜，可应用于超灵敏的单分子探测器，探测各种深埋于地下的武器。
左手材料的优异特性可以用于通讯系统，制造更小更轻的移动电话，可以用于资料储存媒介的设计，解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制造出存储容量比DVD高几个数量级的新型光学存储系统。左手材料制造的等效负折射媒质电路可以有效减小器件的尺寸，拓宽频带，提升器件性能，在无线通信的发展中产生重要作用。另外，左手材料将在空间技术、航空航天技术、武器装备、卫星有效载荷、遥感探测等领域具有广阔的应用前景。[#page#]
4 左手材料目前的应用情况（国内）
4.1 用于提高天线的定向性
左手材料用来制作天线，可以提高天线的定向性。浙江大学在微带贴片天线上覆盖左手材料，这种覆盖层类似凸透镜把点源发散光聚集成平行光，使得工作在2.6GHz的贴片天线的方向性由7.7dB提升到16.8dB。国防科技大学采用平面左手材料制备的Ku波段新型左手材料天线罩，使波束得到汇聚，同时增益提高了5dB。
4.2 用于减少手机辐射对人体的伤害
同济大学物理实验室制造出的新型左手材料开口环状谐振器，被用来制成定向天线，通过人造结构控制电磁波的传播方向，可以智能寻找附近的基站，只向该基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向传播，从而避免电磁波对手机使用者造成辐射伤害。
4.3 左手材料用于隐身技术
南京大学研究发现，将左手材料覆盖在金属棒或金属球外面，在特定的实验条件下，电磁波经过它们时，并没有发生通常出现的“反射”现象。这预示着利用左手材料有可能使某些金属结构对电磁波产生“隐身”效果，左手材料有望用于隐身技术。
4.4 左手材料用于屏蔽技术
电子科技大学利用左手媒质设计的微波空间滤波器，其滤波特性有很好的矩形度，对外隔离度非常大，是普通媒质设计的滤波器无法比拟的。左手媒质微波空间滤波器的优良特性应用广泛，例如用作军用飞机的雷达罩，微波天线防干扰，防微波高能武器的屏蔽罩等。
5 小结
源于上世纪60年代的一种假想材料——人工合成的“左手材料”（也称“双负”介质材料、负折射系数材料、负材料、特异材料等），现已成为现实，在固体物理，材料科学，光学和应用电磁学等领域受到愈来愈广泛的关注，对其进行的各类研究得到了迅速深入的发展，国内外都取得了一些成果。我们有理由期待材料世界将被翻开新的篇章。

参考资料
[1] 互联网资料
[2] 中国电子学会第十六届电子元件学术年会论文集