超材料是什么？有什么种类和应用？

1、超材料是什么？

起初对于超材料的研究是负折射率超材料，1968 年前苏联科学家 Veselago 首次提出同时具有负介电常数和负磁导率的材料概念，并预测利用这些材料可以实现负折射、逆多普勒等效应。由于介电常数和磁导率同时为负时，电场 E、磁场H 和波矢 k 的关系不再符合右手螺旋定则，而是满足左手定则，因此这种材料又称为“左手材料”，但这些特征在自然材料中并不存在。直到1996 年和 1999 年，英国科学家 Pendry 等人设计了周期排布的金属细线结构和开口谐振环（SRR）结构，并证明可以分别实现负等效介电常数和负磁导率，自此引入了超材料的概念。

(A) 裂环谐振器 (SRR) 的示意图和 (B) 超材料晶格的示意图，用于展示由方形裂环谐振器阵列形成的负折射率，该阵列赋予了材料负磁导率。

“超材料”一词最初由Rodger M. Walser 教授提出，用来形容自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料。超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工材料，超材料通过围绕的微米/纳米级图案或结构设计，使它们以自然界中不存在的方式与光或其他形式的能量相互作用，典型的超材料有左手材料、光子晶体、超磁性材料、金属水等。

超材料通常与纳米技术相关联，因为在光学应用里重复的单元结构是以纳米为单位的。创造超材料可能只有通过纳米技术才能实现。未来随着纳米技术在未来几十年的进步，将会解锁更多新的超材料并降低其制造成本。

2、超材料的特性

①超材料是人工设计与制造的材料而不是天然存在的材料；

②超材料是一种复合型或混杂型材料,而不是单一的或纯净的材料；

③超材料所呈现的物理性能是超常态的，非自然材料所有的，如负折射率、负磁导率、负介电常数、逆多普勒效应；

④可以通过改变材料的基本单元结构、形状、方向、排列等物理特性，使超材料可对光波、电磁波和声波实施有效的操控；

3、超材料的种类

电磁超材料
声学超材料
机械超材料
热学超材料

4、超材料的应用场景

超透镜

超透镜是一种二维平面透镜结构，是由超表面聚焦光的光学元件制成。被誉为2019年十大新兴技术之一。当折射率为正时，由于渐逝波的指数衰减率，传统透镜无法将光精确地聚焦到小于平方波长的区域。正如恩斯特·卡尔·阿贝所发现的，传统镜头会受到衍射极限的限制；然而，超透镜（或超级透镜）使用超材料通过获得 -1 的折射率来超越衍射极限。光进入超透镜，形成负角或负折射率，如图3所示，具有表面法线并经历双聚焦效果。为了获得超透镜，超材料必须同时具有负介电常数和负磁导率，以便转换有关亚波长物体的信息并再现图像而不会出现任何失真或信息丢失。透镜还可以在平板一侧的物体和透镜另一侧形成的图像之间投射渐逝波。

光线进入负折射率超材料

超透镜拥有体积更薄、重量更轻、成本更低、成像更好、更易集成的优点。并且可通过调整结构的形状、旋转方向、高度等参数实现对光的偏振、相位和振幅等属性进行调控。超透镜可用于地震和海啸防护、超分辨率成像、量子光子学、非线性光学、生物传感、光路元件和光刻等许多其他应用。

传统透镜与超透镜对比

太阳能吸收器

光伏器件被广泛用于将太阳光转化为电能。然而，它们只能转换有限的太阳光谱，并且光伏设备的效率受到肖克利–奎伊瑟极限（单p-n节太阳能电池所能达到的理论能量转换极限）的限制。由超材料推动的一项重大进步是开发用于吸光技术的表面等离子体和等离子体光学天线。表面等离子激元具有在纳米尺度上引导、集中和散射光的能力，这让它成为增强太阳能电池光吸收的理想选择。传统光伏太阳能电池的局限性在于当太阳能电池的厚度小于 100 µm，则效率会变得低下；然而，当实现等离子体结构时，这个问题将得到了解决，可以在增强电场同时，减少电池的厚度并使其更薄。此外，表面等离子体激元发生在超材料表面时，可用于控制光吸收装置内发生的相互作用，并显着增强表面附近的电场。等离子光学天线也正在研究中，因为它们可以显着提高太阳能电池的效率，同时显着减小设备的尺寸。这些天线的行为类似于光收集器，可减少反射损耗，同时增加吸收截面。

吸收器示意图。(a)阵列结构；(b)吸收器单元结构；(c)吸收器单元俯视图；(d)制备工艺示意图

无线电力传输（WPT）

无线电力传输：在设备之间没有物理链接的电能传输。在发射器和接收器之间产生电磁场以传输电力，该技术用于无线充电器、生物医学植入物和电动汽车等设备。随着越来越多的设备走向无线化，并且超材料已经呈现出使这些系统更高效的希望，对更高效的无线电力传输（WPT）系统的需求不断增长。

具有频率可重构超材料的频率可重构双负载磁耦合谐振(MRC)-无线电能传输(WFT)系统

癌症检测

癌症检测：检测体内的恶性细胞。超材料传感器检测癌症的基本原理是：由于肿瘤的含水量高于正常组织，因此在微波频率下，肿瘤的ε和μ均高于正常组织，因此样品的介电常数可以为测量以确定它是否是恶性的。斯帕达等人提出了一种由互补金属超材料欧米茄形谐振器阵列组成的生物传感器。研究人员能够创建一种生物传感器，该传感器在区分恶性组织和正常组织方面具有高度敏感性，因为电磁场位于超材料谐振器周围，增强了场与样品之间的相互作用。