超材料

超材料（来自希腊语μετά meta，意思是超越或之后，拉丁语materia，意思是物质或材料）是任何被设计成具有自然发生的材料所没有的特性的材料。

它们是多种元素的组合，由金属和塑料等复合材料制成。这些材料通常以重复的模式排列，其规模小于它们所影响的现象的波长。

超材料的特性不是来自基础材料的特性，而是来自其新设计的结构。它们的精确形状、几何形状、大小、方向和排列使它们具有能够操纵电磁波的智能特性：通过阻挡、吸收、增强或弯曲电磁波，以实现超越传统材料所能实现的好处。

适当设计的超材料可以影响电磁辐射波或声音的方式，这在大宗材料中是观察不到的。那些在特定波长下表现出负折射率的材料一直是相当多的研究重点。这些材料被称为负指数超材料。

超材料的潜在应用是多种多样的，包括光学过滤器、医疗设备、远程航空航天应用、传感器检测和基础设施监测、智能太阳能管理、激光、人群控制、雷达罩、高频战场通信和高增益天线的透镜、改进的超声波传感器，甚至屏蔽地震的结构。

超材料提供了创造超级透镜的潜力。这种透镜可以实现低于衍射极限的成像，即传统透镜数值孔径NA和照明波长λ所能达到的最小分辨率d=λ/(2NA)。

亚波长光学超材料与光学记录介质集成后，可用于实现高于衍射极限的光学数据密度。使用梯度指数材料展示了一种 "隐形 "的形式。声学和地震超材料也是研究的领域。

超材料研究是跨学科的，涉及电气工程、电磁学、经典光学、固态物理、微波和天线工程、光电子学、材料科学、纳米科学和半导体工程等领域。

对操纵电磁波的人工材料的探索始于19世纪末。一些最早的结构可以被认为是超材料，由Jagadish Chandra Bose研究，他在1898年研究了具有手性的物质。卡尔-费迪南德-林德曼在二十世纪初研究了作为人工手性介质的金属螺旋与波的相互作用。

20世纪40年代末，AT&T贝尔实验室的温斯顿-E-柯克开发了具有与超材料类似特性的材料。在20世纪50年代和60年代，人造电介质被研究用于轻型微波天线。在20世纪80年代和90年代，微波雷达吸收器被研究用于人工手性电介质的应用。

负指数材料在1967年由Victor Veselago首次从理论上描述。他证明了这种材料可以传输光。他表明，相位速度可以与Poynting矢量的方向反平行。这与自然发生的材料中的波的传播相反。

1995年，John M. Guerra制造了一个具有50纳米线条和空间的亚波长透明光栅（后来被称为光子超材料），然后将其与标准油浸式显微镜物镜（这种组合后来被称为超级透镜）耦合，以分辨硅片中同样具有50纳米线条和空间的光栅。这种超分辨率图像是在空气中以650纳米的波长照明实现的。

2000年，约翰-彭德利是第 一个发现制造左手超材料的实用方法的人，这种材料不遵循右手规则。这样的材料允许电磁波传递能量（有一个群速度），与它的相位速度相反。

Pendry/的想法是，沿着波的方向排列的金属线可以提供一个负的介电常数（介电函数ε < 0）。自然材料（如铁电）显示出负的介电常数；挑战是实现负的渗透率（µ < 0）。

1999年，Pendry证明了一个分裂的环（C形），其轴线沿着波的传播方向放置可以做到这一点。在同一篇论文中，他展示了一个由导线和环组成的周期性阵列可以产生负的折射率。Pendry还提出了一个相关的负渗透率设计，即瑞士卷。

2000年，大卫-R-史密斯等人报告了通过水平堆叠、周期性堆叠分裂环谐振器来实验证明电磁超材料的功能。