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負折射率物質論戰終告段落

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Apr 07, 2003

編輯 Chia-Chen Chang 報導

幾組物理學家陸續在今年年初發表的實驗結果,證實了負折射率物質的存在。

在材料的許多特性當中,介電常數(permittivity)與磁導係數(permeability)可以告訴我們電磁波與這個材料如何產生互動:如 Snell 定律、Cerenkov 輻射、Doppler 效應等等。介電常數與透磁率在一般的材料裡都是非負的,但 1964 年俄羅斯的物理學家 V. Veselago 把這兩個常數與與折射係數(refeactive index)一起改為負號,在這種假想的材料裡他發現電磁波的行為與在一般材料中的行為完全不同:比如說光行進的方向與能量傳播的方向相反、在假想材料與一般材料的介面上電磁波有完全相反的折射定律等等。 物理學家把這種材料稱為『左手物質』(left-handed material)#1,用以區分遵守一般光學定律的『右手』物質。

雖然左手物質的構想很有趣,但是自然界中並不存在這種材料。直到三年前加州大學 San Diego (University of California at San Diego, UCSD) 分校的 D. Smith 根據理論物理學家 John Pendry 在 1999 年的建議,利用以銅為主的複合材料首次製造出在微波波段具有負介電常數、負透磁率的物質。Smith 等人的實驗並沒有進一步驗證負折射率,因為他們的材料只在一維表現出左手性。(見本站報導)在 Smith 的實驗之後,有好幾位物理學家陸續在 Physical Review Letters 上發表文章對 Smith 的實驗結果表示異議,原因是他們認為左手物質將違反因果律、光速上限以及能量守恆的原理。

就在上個月,美國西雅圖 Boeing Phantom Works 的 C. Parazzoli 與加拿大 University of Toronto 電機系的 G. Eleftheriades 所領導的兩組研究人員分別發表了在微波波段負折射率物質的實驗報告。兩組科學家在實驗中直接觀測到了逆折射定律:折射發生的方向與一般物質完全相反。同時 Iowa State University 的 S. Foteinopoulou 也發表了左手物質的理論模擬結果。利用光子晶體做為介質,Foteinopoulou 在計算中發現電磁波波前(wavs front)遇到左手介質時折射並不會立刻就發生,而是在介面捕捉入射波前一段時間之後才出現折射波。他們認為這個延遲現象說明了波前的一端並不需要無限大的光速傳遞才能從一般介質到左手介質,因此左手物質並不違反光速上限與因果律等基本原理。

這些最新的理論與實驗結果替有關左手物質的爭論暫時劃下了一個句點,接下來的工作就是如何將這些新的材料應用在通訊系統以及資料儲存媒介的設計上,用來製造更小的行動電話或者是容量更大的儲存媒體。

#1:除『左手物質』之外,也有些人稱之為:Backward wave materials、Double Negative Materials (DNG)、Metamaterial 或者是 Negative Index of Refraction Materials(NIM)。

原始論文:
1. Experimental verification and simulation of negative index of refraction using Snell’s law
C. G. Parazzoli, R. B. Greegor, K. Li, B. E. C. Koltenbah, M. Tanielian Phys. Rev. Lett., 90, 107401 (2003)

2. Growing evanescent waves in negative-refractive-index transmission-line media
A. Grbic and G. V. Eleftheriades Appl. Phys. Lett., 82, 1815(2003)

3. Refraction in media with a negative refractive index
S. Foteinopoulou, E. N. Economou, C. M. Soukoulis Phys. Rev. Lett., 90, 107402 (2003)

參考來源:

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