想了想,应该在这里介绍介绍什么是metamaterial.不过不想抄David的解释,给点自己的理解,让这些理解更通俗易懂一点.

metamaterial是人造的电磁/光学材料,它可以有很多自然材料所不具有的奇异性质,比如说负折射率,折射率小于1或者等于0等等.然而,现在攻击这个领域最多的一种观点就认为它根本不是材料.这些观点之所以针对metamaterial的原因是因为metamaterial现在主要是由具有谐振的金属结构通过周期排列组成的等效材料(effective media),所以,自然遭到人们的攻击,因为你看进去材料的具体结构,并没有发现所谓的负折射率,所以可以说,metamaterial只是对材料的一种等效.还记得在南京崔教授的一次报告中,就有教授指出,metamaterial无非是新的方法论施加在老的现象上面,而不属于一种新的材料,尤其是观测到原子与电子级别.然而,坚守metamaterial是material的一方则反驳认为,这种effective media是成立的,尤其是在人们用纳米结构等更微小的粒子周期排列,然后具有特有的材料特性时,它就是真正的材料了. 我想,以这样一个辩论的方式引出metamaterial,这个新型的学科,最为合适.当然,还有很多人认为metamaterial就根本不是一个新学科,还有观点认为metamaterial也只是在人们制造工艺成熟的基础上自然出现的东西,也有观点认为metamaterial自身的无数局限导致它的发展已经进入了一个非常尴尬的境地,举步为艰,同时,还有我们这一派,认为metamaterial是未来极具有潜力并且可能导致学术界,工业界革命性变革的一个方向.

因此,metamaterial是一个火药味非常浓厚的学科(其实连是否是学科都还在被争论),百家齐鸣,意见不一.在这贴里,我先回答一个问题,就是metamaterial到底是不是材料. 首先,我要回到认为metamaterial不是材料的这些观点里面,其实,这种观点默认了一个事情, homogeneous media(连续均匀的材料)才是材料.然而,有一件不幸的事情要发生在这种观点上,世界上对于电磁波而言,除了真空以外,就根本没有homogeneous这个概念,这个概念不过是做宏观电磁领域的人们假想出来的一种对自然界材料极端的一种模型而已.任何的自然界材料都是由大量的原子电子结构系统排列组成的,而不是所谓的homogeneous. Photonics的教科书也告诉了大家其实电磁波在材料中的传播是因为原子电子谐振系统对外加场的response,之所以人们将其极端的模型化成homogeneous media是因为从宏观的角度而言,电子原子太小了,于是,离散的一个系统就本认为是连续的系统.但是,要强调一点的是,这么model不代表这个系统自身是homogeneous,最多只能说它近似homogeneous.然后,回到metamaterial,其实,metamaterial也是由周期排列的具有对电磁场特定response的谐振系统组成,只不过电子和原子的谐振被人们替换成LC电路的谐振而已,但是,从本质而言,对于场的传播都是一样的,受到周期谐振系统影响的场传播.所以,metamaterial就是一种新型的材料,材料的电磁本质就是由谐振单元组成的系统.不过,人造的结构要比原子分子的尺寸要大很多,但是,并不影响其成为电磁材料.由这样的观点,我们可以看到,谐振单元变可以组成系统成为材料,那我们有什么熟悉的谐振单元呢? 对于原子分子是谐振单元,则组成了传统概念上的电磁材料;腔体谐振器是谐振单元,用此则组成了Photonic Crystal,其实也是一种材料; LC电路谐振还是一种谐振单元,组成了现在metamaterial最常实现的那些等效材料,也是材料. 然而,在metamaterial里面,人们观察到了很多以前没有看到的现象,而我的观点是,我们应该回去反思原来的理论是否完善,是否能够足以描述场在材料里面的传播,是否原先的假设都过于极端? 只有把所有的谐振结构系统都统一起来统成为电磁材料,人们才能发现更多电磁传播的本质.而不仅仅是指责新的现象,或者把新现象成为artifacts.从我们最新的理论看,这些根本不是artifacts而是普适存在的.从这点上来看,这个学科是诱人的,充满挑战与也充满机遇.