2001年美國加州大學制成一種新型異性材料并觀察到其反常折射定律，引起學界關注；2003年美國麻省理工和東北大學實驗證明了這種異性材料的可制造，引起學界、業(yè)界和軍方的高度重視；2003年美國《科學》將這種奇異材料的研制納入年度十大科學進展。這是科學界謂之的一種顛倒了物理學常規(guī)定律的“左手材料”，其反常的特性預示著材料世界前所未有的革命性時刻的到來。上海科學家四年前介入該領域研究并已收獲不淺。3月18日，市科委基礎研究處組織召開了《左手材料和負折射現(xiàn)象及應用》學術研討會，以期通過學術交流促進學科交叉創(chuàng)新，推動本市該領域研究獲得重大突破。本刊特此報道左手材料的發(fā)展背景、意義及3·18研討會達成的共識和科學家們的建議，供決策參考。

左手材料：開辟材料世界的另一個半邊天
一、左手材料——源于上世紀60年代科學家的假想

本世紀以來，一種被稱為“左手材料”的人工復合材料在固體物理、材料科學、光學和應用電磁學領域內(nèi)開始獲得愈來愈廣泛的青睞，對其的研究正呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢，而它的出現(xiàn)卻是源于上世紀60年代前蘇聯(lián)科學家的假想。

物理學中，介電常數(shù)ε和磁導率μ是描述均勻媒質中電磁場性質的最基本的兩個物理量。在已知的物質世界中，對于電介質而言，介電常數(shù)ε和磁導率μ都為正值，電場、磁場和波矢三者構成右手關系，這樣的物質被稱為右手材料（right-handed materials，RHM）。這種右手規(guī)則一直以來被認為是物質世界的常規(guī)，但這一常規(guī)卻在上世紀60年代開始遭遇顛覆性的挑戰(zhàn)。1967年，前蘇聯(lián)物理學家Veselago在前蘇聯(lián)一個學術刊物上發(fā)表了一篇論文，首次報道了他在理論研究中對物質電磁學性質的新發(fā)現(xiàn)，即：當ε和μ都為負值時，電場、磁場和波矢之間構成左手關系。他稱這種假想的物質為左手材料（left-handed materials，LHM），同時指出，電磁波在左手材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負折射、負的切連科夫效應、反多普勒效應等等。這篇論文引起了一位英國人的關注，1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個前蘇聯(lián)物理類學術刊物上。但幾乎無人意識到，材料世界從此翻開新的一頁。

由于左手材料的顯著特點是它的介電常數(shù)和磁導率都是負數(shù)，所以有人也稱之為“雙負介質（材料）”，通常也被稱為“負折射系數(shù)材料”，或簡稱“負材料”。

二、左手材料——本世紀初的突破引發(fā)人們無限遐想

左手材料的研究發(fā)展并不一帆風順。在這一具有顛覆性的概念被提出后的三十年里，盡管它有很多新奇的性質，但由于只是停留在理論上，而在自然界中并未發(fā)現(xiàn)實際的左手材料，所以，這一怪誕的假設并沒有立刻被人接受，而是處于幾乎無人理睬的境地，直到時光將近本世紀時才開始出現(xiàn)轉機。原因在于英國科學家Pendry等人在1998~1999年提出了一種巧妙的設計結構可以實現(xiàn)負的介電系數(shù)與負的磁導率，從此以后，人們開始對這種材料投入了越來越多的興趣。2001年的突破，使左手材料的研究在世界上漸漸呈現(xiàn)旋風之勢。

2001年，美國加州大學San Diego分校的David Smith等物理學家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復合材料首次制造出在微波波段具有負介電常數(shù)、負磁導率的物質，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構成的人工介質，微波以負角度偏轉，從而證明了左手材料的存在。

2002年7月，瑞士ETHZ實驗室的科學家們宣布制造出三維的左手材料，這將可能對電子通訊業(yè)產(chǎn)生重大影響，相關研究成果也發(fā)表在當月的美國《應用物理快報》上。

2002年底，麻省理工學院孔金甌教授從理論上證明了左手材料存在的合理性，并稱這種人工介質可用來制造高指向性的天線、聚焦微波波束、實現(xiàn)“完美透鏡”、用于電磁波隱身等等。左手材料的前景開始引發(fā)學術界、產(chǎn)業(yè)界尤其是軍方的無限遐想。

2003年是左手材料研究獲得多項突破的一年。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在實驗中直接觀測到了負折射定律；Iowa State University的S. Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子晶體做為介質的左手物質理論仿真結果；美國麻省理工學院的E.Cubukcu 和K.Aydin 在《自然》雜志發(fā)表文章，描述了電磁波在兩維光子晶體中的負折射現(xiàn)象的實驗結果。基于科學家們的多項發(fā)現(xiàn)，左手材料的研制赫然進入了美國《科學》雜志評出的2003年度全球十大科學進展，引起全球矚目。

2004年，國際學術界開始出現(xiàn)上海科學家的身影。“973”光子晶體項目首席科學家、復旦大學的資劍教授領導的研究小組經(jīng)過兩年的研究與巧妙設計，利用水的表面波散射成功實現(xiàn)了左手介質超平面成像實驗，論文發(fā)表于著名的《美國物理評論》雜志上，即刻引起學術界的高度關注，被推薦作為《自然》雜志焦點新聞之一。同濟大學波耳固體物理研究所以陳鴻教授為首的研究小組從2001年開始對左手材料展開研究，經(jīng)過兩年的研究，在基礎理論和材料的制備與表征方面取得了重大進展，成果在國際物理學著名刊物上發(fā)表，2004年在國際微波與毫米波技術大會上作大會報告，并將在2005年日本召開的國際微波與光學技術研討會上作邀請報告。

左手材料在本世紀初已迅速成為科學界的研究熱點。據(jù)不完全統(tǒng)計，在國際主要學術刊物上，2000年與2001年所發(fā)表的關于左手征材料的研究論文數(shù)量分別是13篇與17篇，2002年上升至60篇，2003年上升到100篇以上。

三、左手材料——制造的實現(xiàn)孕育其巨大的應用前景

左手材料的巨大應用前景源于它的制造實現(xiàn)。Pendry在2000年就曾建議制作“超級透鏡”（也稱“理想棱鏡”）以實現(xiàn)左手材料的應用，這一建議在2004年被變成了現(xiàn)實，科學家利用左手材料已經(jīng)成功制造出平板微波透鏡。2004年２月，俄羅斯莫斯科理論與應用電磁學研究所的物理學家宣布他們研制成功一種具有超級分辨率的鏡片，但是他們的技術要求被觀察的物體幾乎接觸到鏡片，這一前提使其在實際應用中難以操作。同年，加拿大多倫多大學的科學家制造出一種左手鏡片，其工作原理與具有微波波長的射線有關，這種射線在電磁波頻譜中的位置緊鄰無線電波。兩國科學家的研究成果獲得科學界的高度贊賞，被美國物理學會評為2004年度國際物理學會最具影響的研究進展。

此外，根據(jù)左手材料不同凡響的特性，科學家已預言可以應用于通訊系統(tǒng)以及資料儲存媒介的設計上，用來制造更小的移動電話或者是容量更大的儲存媒體；等效的負折射媒質電路可以有效減少器件的尺寸，拓寬頻帶，改善器件的性能。未來，左手材料將會在無線通信的發(fā)展中起到不可忽略的作用。

四、左手材料——已被列入我國國家自然科學基金2005年重點項目指南

左手材料的研究已引起我國有關科學界的關注。除上海科學家以外，香港科技大學、中科院物理研究所、南京大學、北京大學、西北工業(yè)大學等單位均有科學家先行涉足這一領域的研究。國家自然科學基金委將左手材料和負折射效應的研究列入了2005年重點交叉項目指南中，在數(shù)理部和工程與材料學部聯(lián)合的“準相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關基礎性問題研究”列為主要探索內(nèi)容之一，在數(shù)理部和信息科學部聯(lián)合的“周期和非周期微結構的新光子學特性”主題中將“周期及非周期微結構中在太赫茲、近紅外及可見波段的負折射效應研究”列為主要探索內(nèi)容之一。同時，基金委信息學部將“異向介質理論與應用基礎研究”列入2005年重點項目指南，異向介質即是左手材料的另一個名稱。

目前國內(nèi)（包括上海）開展左手材料與負折射效應研究的主要單位的概況如下：

中科院物理所：該所的磁學國家重點實驗室廣泛開展新型磁性功能材料的探索和研究，研究和探索各種新型磁性材料，如鐵磁性形狀記憶合金，各種高頻（直到10-100G范圍）具有高磁導率，低損耗（如DC-DC convertor材料和左手材料）等；該所的微加工實驗室在低維人工結構制作與應用研究方面重點開展了二維不同結構光子晶體與左手材料、超導量子結構與器件等的研究。

香港科技大學：該校的納米科技研究所所長陳子亭教授是國際知名的凝聚態(tài)物理與光子晶體理論研究專家，主要從事光子晶體與左手材料方面的研究。

南京大學：該校電子科學與工程系的馮一軍教授主要從事電磁場與微波技術，新型人工電磁材料及微波器件等研究，目前承擔新型人工電磁介質的理論與應用研究（國家重點基礎研究發(fā)展計劃973項目）和左手人工電磁材料和微波器件（教育部博士點基金項目）。

同濟大學：波耳固體物理研究所的陳鴻教授、張冶文教授等人在左手材料與負折射效應的基礎理論、表征手段和器件應用等方面已取得突破。

復旦大學：以資劍教授（“973”項目首席科學家）、周磊教授等為首，在左手材料超平面成像、表征與器件應用（微波天線）等方面已取得重大進展，目前正與同濟大學、華東師范大學、中科院上海微系統(tǒng)所、中科院上海技術物理所、中科院物理研究所、南京大學、美國UCLC和AMES等研究機構開展這一領域的合作研究。該校的理論物理、凝聚態(tài)物理和光學三個專業(yè)學科均為國家重點學科和博士點。

上海理工大學：以光學與電子信息工程學院莊松林院士為首。莊院士長期從事應用光學、光學工程和光電子學的研究，他設計了百余種光學系統(tǒng)及儀器，是國內(nèi)率先開展光學系統(tǒng)CAD的研究者；在復物體的位相恢復研究中提出多種光學方法，開創(chuàng)了該領域研究的新方向；所研制的CdSe硒化鎘液晶光閥達到了當時國際先進水平。