为什么自然界右手材料居多

颠倒物理学常规的人造“左手材料”
左手材料（Left-Handed Metamaterials）是近年来材料科学和物理学领域的研究热点之一。谈到左手材料，还得先从右手材料说起。在经典电动力学理论中，介电材料的电磁特性由介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数描述。自然界中物质的ε和μ都是正数，当电磁波穿越其中时，描述电磁波传播特征的三个物理量电场方向E、磁场方向H和电磁波的传播方向K构成与三维空间坐标呈一一对应的右手螺旋关系（见图1），这就是物理学中经典的“右手定则”。这种规律被认为是物质世界的常规，是物理界不可动摇的基本定律，相应地，自然界中存在的符合“右手定则”的介电材料即为右手材料。

在经典电动力学中，如果物质的ε和μ一正一负，电磁波将无法在其中传播。但是，如果ε和μ两者都是负数时，情况会怎样呢？ 1968年，前苏联物理学家Veselago等人首次提出了大胆的假设，即如果人们能够制造出介电常数ε和磁导率μ均为负值的材料，那么“右手定则”将被推翻，取而代之的是电场方向E、磁场方向H和电磁波的传播方向K构成与三维空间坐标呈一一对应关系的左手螺旋关系（见图2）。至此，原本看似天经地义的物理学常规定律“右手定则”开始遭遇颠覆性的挑战。但是，由于当时Veselago等人的工作还仅限于纯理论性的研究，自然界中并未发现这类材料，也没有在实验中得到进一步验证，因此这一假设在学术领域长期未被接受。

图1 右手材料（ε>0，μ>0） 图2 左手材料（ε<0，μ<0）

直到1999年，英国科学家Pendry等人相继提出了可能构造左手材料的巧妙设计方法，即用金属条和开口金属谐振环周期性地规则排列，则有望在微波波段产生负等效ε和负等效μ。该构想一经报道，立即引起了学术界的浓厚兴趣。2000年，实验终于获得突破性进展，美国加州大学Smith教授首次在实验室中成功制造出了世界上第一块介电常数ε和磁导率μ均为负值的物质，从而用铁的事实证明了左手材料的存在。这一突破为迅速掀起左手材料热潮奠定了历史性的基础。此后，关于左手材料的研究逐年升温，曾被美国自然杂志评为“2003年度十大科技进展”，引起世人瞩目。2005年，世界上首例面向1.5微米红外线区域的人造左手材料在美国普渡大学研发成功。由于