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超材料的手性特征

微波工程仿真

2024-12-11

以超材料形式存在的人工手性是一个在电磁应用中有前途的方案，因为我们可以设计出具有高稳健性、低损耗、任意工作频率和可定制特性的手性超材料。手性重要的三个基本概念为镜像不对称性、极化旋转和磁介电耦合，它们之间存在重要的相互依赖关系。

本构关系
超材料的手性
参考文献

As shown below👇

本构关系

在 20 世纪，确定了光是由电和磁响应之间的耦合产生的，即手性粒子的磁电耦合，以及各种相关形式的电磁本构关系。

电磁介质的行为通常可以用以下关系式来表示

将场响应与介质磁化率联系起来,可得

其中，

那么，常规的双各向同性关系

其中 D 和 B 通过耦合张量ξ和ζ相互依赖，表示线性时间不变（LTI）介质最常见的显式本构关系。

将上式中的张量在特殊条件下，如三原子螺旋（手性）粒子形成的介质，减少并最终归结为标量，那么这种介质被称为双各向同性。

因此，双各向同性介质将仅由四个复参数表征。

超材料的手性

与介电极化效应相比，自然手性材料的电磁耦合较弱，因此其光学活性效应也相对较弱。然而，在人工手性材料中，手性参数可以显著提高，从而无需负介电常数或负磁导率即可获得负折射率。这为通往超材料的手性途径开辟了道路。

超材料是一种介质，由散射粒子或“超粒子”的 1D、2D 或 3D 亚波长晶格阵列组成，其关键特性更多地是由于这些粒子的几何形状和取向，而不是组成它们的材料的分子尺度性质。

如上图所示为一个具有合理尺寸参数的三维手性超材料的示例。其晶格是周期性的，具有一个维度为p的立方单元，它由外部大小为a且未展开的多旋转-螺旋亚粒子组成。

参考文献

[1] G. Riccio, F. Ferrara, G. Gennarelli, R. Guerriero and F. Chiadini, "Reflection, Transmission and Diffraction by Lossless Anisotropic Chiral Sheets," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 72, no. 11, pp. 8719-8727, Nov. 2024, doi: 10.1109/TAP.2024.3461163.

[2] C. Caloz and A. Sihvola, "Electromagnetic Chirality, Part 1: The Microscopic Perspective [Electromagnetic Perspectives]," in IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 62, no. 1, pp. 58-71, Feb. 2020, doi: 10.1109/MAP.2019.2955698.