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超材料的基于卷绕的人造原子、包括该人造原子的超材料及包括该超材料的装置

申请号 CN201380025857.2 申请日 2013-03-15 公开(公告)号 CN104584321A 公开(公告)日 2015-04-29
申请人 三星电子株式会社; 香港城市大学; 发明人 韩承勋; J.T-H.李; 梁子贤;
摘要 提供了一种超材料的基于卷绕的人造 原子 、包括该人造原子的超材料、以及包括该超材料的装置。根据本 发明 的用于超材料的基于卷绕的人造原子包括:第一卷绕单元,用于卷绕第一空间;以及第二卷绕单元,用于卷绕第二空间,并连接到第一卷绕单元。
权利要求

1.一种超材料的基于卷绕的人造原子,该人造原子包括:
第一卷绕单元,卷绕第一空间;以及
第二卷绕单元,卷绕第二空间,并与所述第一卷绕单元连接。
2.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一和第二卷绕单元中的至少一个中的波沿着Z字形路径传播。
3.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一和第二卷绕单元中的至少一个通过串联连接多个通道而形成,所述波在该多个通道传播。
4.如权利要求3所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述多个通道中的相邻的通道的波传播方向是不同的。
5.如权利要求3所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述多个通道中的相邻的通道由一个板分隔。
6.如权利要求3所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述多个通道在宽度上与所述波的波长相比是窄的。
7.如权利要求3所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一卷绕单元的通道和所述第二卷绕单元的通道彼此串联连接。
8.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述波是声波电磁波和弹性波中的至少一种。
9.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一和第二卷绕单元中的至少一个在二个维度或三个维度中的至少一个卷绕成空间。
10.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一和第二卷绕单元关于将所述第一和第二卷绕单元彼此连接的点旋转地对称。
11.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一和第二卷绕单元是各向异性的。
12.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一和第二卷绕单元是各向同性的。
13.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,还包括:第三卷绕单元,卷绕第三空间且与所述第一和第二卷绕单元连接;以及第四卷绕单元,卷绕第四空间且与所述第一至第三卷绕单元连接。
14.如权利要求13所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第一至第四卷绕单元基于人造原子的中心彼此互连。
15.如权利要求13所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述人造原子是各向同性的。
16.如权利要求13所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中折射率与波传播的长度成比例。
17.如权利要求16所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述折射率为4或更大。
18.如权利要求13所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中关于特定频率带的波,有效密度和有效体积模量中的至少一个为负。
19.如权利要求13所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中关于特定频率带的波,所述折射率为负。
20.如权利要求13所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中晶格常数小于所述波的波长。
21.如权利要求13所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述第三和第四卷绕单元根据将所述第三和第四卷绕单元彼此连接的点旋转地对称。
22.如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子,还包括卷绕第三空间且与所述第一和第二卷绕单元连接的第三卷绕单元,
其中所述第一至第三卷绕单元关于所述人造原子的中心彼此旋转地对称,并且所述第一至第三卷绕单元的每个中的有效波传播方向在二维平面上不存在。
23.一种由多个如权利要求1所述的超材料的基于卷绕的人造原子的任一个形成的超材料。
24.如权利要求23所述的超材料,其中所述多个人造原子以一维、二维和三维中的至少一个形成。
25.一种包括如权利要求23所述的超材料的装置,所述装置通过所述超材料改变入射波的特性。
26.一种超材料的基于卷绕的人造原子,该人造原子包括:
入口,用于入射波;
出口,用于波排出;以及
卷绕单元,在该卷绕单元中,空间被卷绕成并且波沿着Z字形路径朝着所述出口运动。
27.如权利要求26所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述卷绕单元通过串联连接多个通道形成,所述入射波通过该多个通道传播。
28.如权利要求27所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中所述多个通道的传播方向之和与从所述入口到所述出口的传播方向一致。
29.如权利要求26所述的超材料的基于卷绕的人造原子,其中超材料结构的折射率与所述卷绕单元中的波传播的路径长度成比例。
30.一种超材料的基于卷绕的人造原子,该人造原子包括:
入口,用于入射波;
出口,用于波排出;以及
卷绕单元,从所述入口连接到所述出口,并引导所述波的运动,
其中所述卷绕单元中的波传播的长度比所述入口与所述出口之间的直线距离长。

说明书全文

超材料的基于卷绕的人造原子、包括该人造原子的超材料

及包括该超材料的装置

技术领域

[0001] 本公开涉及卷绕空间的人造原子(artificial atom)、由该人造原子的阵列构成的超材料(metamaterial)、以及包括由该人造原子的阵列构成的超材料的装置。

背景技术

[0002] 超材料是被设计为包括至少一个人造原子单元的人造材料,该至少一个人造原子单元被图案化为小于波长的随机尺寸和形状,其中超材料由人造原子单元的阵列构成。包括在超材料中的每个人造原子单元响应于施加到超材料的电磁波声波而表现出预定的特性。
[0003] 因此,超材料可以被提供为相对于电磁波或声波具有在自然界不容易观察到的任何有效折射率和有效材料系数。从而,超材料引起很多新奇的现象,包括亚波长聚焦(subwavelength focusing)、负折射(negative refraction)、超强透射(extraordinary transmission)或隐形衣(invisibility cloaking)等。
[0004] 由超材料引起的现象也发生在光子(photonic)晶体或声子(phononic)晶体中。然而,在此情况下,关于光子晶体或声子晶体的现象仅发生在操作频率高的衍射区附近。难以期待利用有效材料系数的应用。也就是,人造原子的尺寸受到限制,与波长相比没有足够小。
发明内容
[0005] 技术问题
[0006] 提供了一种卷绕(coiling)的人造原子。
[0007] 提供了包括该人造原子的超材料。
[0008] 提供了包括该超材料的装置。
[0009] 技术方案
[0010] 根据本发明构思的一个方面,一种卷绕空间(或使空间成螺旋状)的人造原子包括:第一卷绕单元(first coiling unit),卷绕第一空间;以及第二卷绕单元,卷绕第二空间并与第一卷绕单元连接。
[0011] 第一和第二卷绕单元中的至少一个可以沿着Z字形路径传播入射波以发射。
[0012] 此外,第一和第二卷绕单元中的至少一个可以通过串联连接多个通道而形成,入射波通过该多个通道传播。
[0013] 多个通道中的相邻的通道的波传播方向可以是不同的。
[0014] 此外,多个通道中的相邻的通道可以由一个板分隔。
[0015] 多个通道可以在宽度上与波的波长相比是窄的。
[0016] 第一卷绕单元的通道和第二卷绕单元的通道可以彼此串联连接。
[0017] 入射波可以是声波、电磁波和弹性波中的至少一种。
[0018] 此外,第一和第二卷绕单元中的至少一个可以以二维或三维中的至少一个卷绕空间。
[0019] 第一和第二卷绕单元关于将第一和第二卷绕单元彼此连接的点旋转地对称。
[0020] 第一和第二卷绕单元可以是各向异性的。
[0021] 此外,第一和第二卷绕单元可以是各向同性的。
[0022] 人造原子还可以包括:第三卷绕单元,卷绕第三空间并与第一和第二卷绕单元连接;以及第四卷绕单元,卷绕第四空间并与第一至第三卷绕单元连接。
[0023] 第一至第四卷绕单元可以根据人造原子的中心而彼此互连。
[0024] 此外,人造原子可以是各向同性的。
[0025] 人造原子的折射率可以与人造原子中波传播的长度成比例。
[0026] 人造原子的折射率可以为4或更大。
[0027] 关于特定频带的波,人造原子的有效密度和有效体积模量中的至少一个可以为负。
[0028] 此外,关于特定频带的波,人造原子的折射率可以为负。
[0029] 人造原子的晶格常数可以小于波的波长。
[0030] 第三和第四卷绕单元可以关于将第三和第四卷绕单元彼此连接的点旋转地对称。
[0031] 人造原子还可以包括卷绕第三空间且与第一和第二卷绕单元连接的第三卷绕单元,其中第一至第三卷绕单元关于人造原子的中心彼此旋转地对称,并且第一至第三卷绕单元的每个中的有效波传播方向可以在二个维度不存在。
[0032] 此外,根据本发明构思的另一个方面,超材料可以通过设置多个人造原子而形成,其中多个人造原子可以以一维、二维和三维中的至少一个形成。
[0033] 根据本发明构思的另一个方面,一种包括该超材料的装置可以改变入射波的特性。
[0034] 根据本发明构思的另一个方面,一种卷绕空间的人造原子可以包括:入射波的入口;用于波排出的出口;以及卷绕单元,在该卷绕单元,空间被卷绕并且波沿着Z字形路径朝向出口运动。
[0035] 另外,卷绕单元可以通过串联连接入射波通过其传播的多个通道而形成。
[0036] 此外,多个通道的传播方向之和可以与从入口到出口的传播方向一致。
[0037] 超材料结构的折射率可以与卷绕单元中波传播的路径长度成比例。
[0038] 根据本发明构思的另一个方面,一种卷绕空间的人造原子可以包括:用于入射波的入口;用于波排出的出口;以及卷绕单元,从入口连接到出口并引导波的运动,其中卷绕单元中波传播的长度比入口与出口之间的直线距离长。
[0039] 有益效果
[0040] 波的特性可以通过卷绕的人造原子改变。附图说明
[0041] 图1是示出根据本发明构思的实施例的卷绕空间的人造原子的视图。
[0042] 图2a是示出根据本发明构思的实施例的二维人造原子的视图。
[0043] 图2b是示出图2a的二维人造原子的简化卷绕效果的视图。
[0044] 图3a是示出图2a的二维人造原子的带结构的视图(示出频率和波矢之间的关系)。
[0045] 图3b至3d是示出图3a的第一至第三带的等频线(Equi-Frequency Contours,EFC)的视图。
[0046] 图4a是示出根据图2a的二维人造原子的频率的相对有效折射率(实线)和相对有效阻抗(虚线)的图形视图。
[0047] 图4b是示出根据图2a的二维人造原子的频率的有效密度(实线)和有效体积模量(虚线)的图形视图。
[0048] 图5是示意性地示出根据本发明构思实施例的三维人造原子的视图。
[0049] 图6是示出采用与图1所示的一维人造原子和图2所示的二维人造原子相同的结构构造的棱镜的视图。
[0050] 图7a示出当插入阻挡超过半个波导宽度的固体板时波的压场的图形模拟的结果。
[0051] 图7b示出当根据本发明构思实施例的超材料设置在图7a的固体板周围时波的压力场的图形模拟结果。
[0052] 图8是示出由根据本发明构思实施例的超材料形成的透镜的视图。

具体实施方式

[0053] 在下文,将参照附图详细描述所公开的卷绕的人造原子以及包括该卷绕的人造原子的超材料和装置。
[0054] 图1是示出本发明构思实施例的卷绕空间的人造原子的视图。参照图1,人造原子(100)包括用于入射波的入口(120)、用于波排出的出口(140)以及卷绕单元(130),在卷绕单元(130),空间被卷绕并且波沿着Z字形路径朝向出口(140)运动。
[0055] 人造原子(100)中的入射波可以是声波。在没有截止频率的情况下,声波可以在亚波长横截面的穿孔(perforation)内传播。此外,因为声波仅是标量场,所以这些穿孔还可以被卷绕,而波仍可以在弯曲空间(curled space)中自由地传播。
[0056] 卷绕单元(130)可以通过串联连接多个通道(即入口通道(150)、输出通道(160)和中间通道(170))来卷绕空间。相邻通道的波传播方向可以是不同的。然而,所有通道中的波传播方向的矢量之和可以与从入口(120)到出口(140)的波传播方向一致。此外,卷绕单元(130)可以通过多个通道在二个维度或三个维度卷绕空间。
[0057] 例如,当卷绕单元(130)由两个通道(即入口通道(150)和输出通道(160))形成时,卷绕单元(130)可以包括:入口通道(150),其一端与入口(120)连接以引导波在第一方向上传播;和出口通道(160),其一端与出口(140)连接以引导波在第二方向上传播。此外,卷绕单元(130)还可以包括至少一个中间通道(170),其设置在入口通道(150)和输出通道(160)之间以引导波在第三方向上传播。
[0058] 相邻通道的波传播方向可以不同。然而,所有通道中的波传播方向的矢量和可以与从入口(120)到出口(140)的波传播方向一致。这里,从入口(120)到出口(140)的波传播方向被称为人造原子(100)的有效波传播方向。具体地,当卷绕单元(130)在二个维度卷绕空间时,在基于入口(120)奇数编号的通道中的波传播方向可以与在偶数编号的通道中的波传播方向不同,而奇数编号的通道中的波传播方向可以彼此相同,并且偶数编号的通道中的波传播方向可以彼此相同。
[0059] 图1示出其中空间由7个通道卷绕的卷绕单元(130)。具体地,卷绕单元(130)可以包括几种类型的通道:入口通道(150),其一端与入口(120)连接以在第一方向上引导波传播;第一中间通道(170a),其一端与入口通道(150)连接以在第二方向上引导波传播;第二中间通道(170b),其一端与第一中间通道(170a)连接以在第三方向上引导波传播;第三中间通道(170c),其一端与第二中间通道(170b)连接以在第四方向上引导波传播;第四中间通道(170d),其一端与第三中间通道(170c)连接以在第五方向上引导波传播;第五中间通道(170e),其一端与第四中间通道(170d)连接以在第六方向上引导波传播;以及输出通道(160),其一端与第五中间通道(170e)连接,并且其另一端与输出单元(140)连接以在第七方向上引导波传播。奇数编号的通道(也就是,入口通道(150)、第二中间通道(170b)、第四中间通道(170d)和输出通道(160))具有相同传播方向的波。偶数编号的通道(也就是,第一中间通道(170a)、第三中间通道(170c)和第五中间通道(170e))具有相同传播方向的波。尽管奇数编号的通道中的波传播方向与偶数编号的通道中的波传播方向不同,但是所有通道的传播方向的矢量和与有效波传播方向一致。图1所示的通道仅是基于根据本发明构思的一个实施例,通道的数目或其中的波传播方向可以根据人造原子(100)的特性而变化。也就是,卷绕单元的卷绕程度(coiling degree)等可以根据目的而变化以改变波的特性。这里,卷绕单元的卷绕程度可以通过改变波传播方向的通道数(也就是,波传播方向的变化数)或波传播的总距离确定。
[0060] 在人造原子(100)中,当入口(120)和输出单元(140)之间的直线距离被称为晶格常数a时,通道的宽度d可以小于晶格常数a,并且还可以窄于波的波长。例如,通道的宽度d可以为晶格常数a的0.081倍。
[0061] 在卷绕单元(130)中传播的波可以沿着Z字形路径传播,从而人造原子(100)中的入射波能够传播比晶格常数a长的距离。例如,由卷绕单元(130)形成的波的路径的长度可以为晶格常数a的4.2倍或更长。
[0062] 另外,为了最小化人造原子(100)的体积,多个通道中的相邻的通道可以通过一个板(180)分开,板(180)可以为窄的薄膜的形式。板(180)可以由固体材料形成,诸如类似的金属或聚合物。板(180)的长度L可以短于晶格常数a。例如,板(180)的长度L可以为晶格常数a的0.61倍。另外,期望得到与晶格常数a相比在宽度上窄的板。例如,板(180)的宽度可以为晶格常数a的0.02倍。
[0063] 图1所示的人造原子(100)可以包括一个卷绕单元,因此,诸如声波或电磁波的波可以通过人造原子(100)具有一个有效波传播方向。因此,图1所示的人造原子(100)可以被称为一维人造原子。这样的一维人造原子可以被设置以形成超材料。该一维人造原子可以设置在一个维度、二个维度或三个维度。根据一维人造原子的阵列的形式,超材料通过改变波的特性而发射入射波。
[0064] 此外,超材料中的人造原子可以包括多个卷绕单元,其中波传播方向是不同的。图2a是示出根据本发明构思实施例的二维人造原子的视图。如图2a所示,二维人造原子(200)可以通过在二维平面中连接具有不同有效波传播方向的多个卷绕单元而形成。
[0065] 为了描述的方便,图2a示出彼此互连的4个卷绕单元(210、220、230和240)。然而,二维人造原子不限于此,而是可以通过连接至少两个卷绕单元来形成。为了描述的方便,将描述在4个互连的卷绕单元的情况下波的特性上的改变。
[0066] 如上所述,卷绕单元(210、220、230和240)中的每个卷绕空间,因此波沿着Z字形路径传播。卷绕单元(210、220、230和240)可以在二个维度或三个维度卷绕空间。
[0067] 卷绕单元即第一、第二、第三和第四卷绕单元(210、220、230和240)的每个的一端设置在二维人造原子200的中心(C)处以彼此互连。第一、第二、第三和第四卷绕单元(210、220、230和240)可以设置为关于中心点(C)旋转地对称。
[0068] 例如,第一至第四卷绕单元(210、220、230和240)可以以这样的方式设置,第一卷绕单元(210)如果相对于中心点(C)旋转90°则对应于第二卷绕单元(220)。类似地,第二卷绕单元(220)如果相对于中心点(C)旋转90°则对应于第三卷绕单元(230),第三卷绕单元(230)如果相对于中心点(C)旋转90°则对应于第四卷绕单元(240)。此外,第四卷绕单元(240)如果相对于中心点(C)旋转90°则对应于第一卷绕单元(210)。因此,第一卷绕单元(210)关于中心点(C)与第三卷绕单元(230)对对称(diagonally symmetrical),并且第二卷绕单元(220)与第四卷绕单元(240)对角对称。
[0069] 因此,第一卷绕单元(210)中的波的有效传播可以等同于第三卷绕单元(230)中的波的有效传播。类似地,第二卷绕单元(220)中的波的有效传播可以等同于第四卷绕单元(240)中的波的有效传播。
[0070] 因此,二维人造原子(200)中的入射波可以通过4个卷绕单元(210、220、230和240)中的至少一个发射到人造原子(200)的外面。例如,通过第一卷绕单元(210)来自人造原子(200)外面的入射波可以在第一卷绕单元(210)内传播,然后可以从中心点(C)分散到第二、第三和第四卷绕单元(220、230和240)。因此,分散的波可以在每个卷绕单元内传播,然后被发射到外面。根据入射波的特性,波可以被分散到第二、第三和第四卷绕单元(220、230和240)的全部,或者可以被分散到卷绕单元(220、230和240)中的某些。
[0071] 图2b是示出完全简化的通道形式以描述图2a的二维人造原子的卷绕效果的示意图。也就是,图2b中的“X”状区域表示相当于卷绕通道的通道区域,并且其余区域表示形成通道的板。这里,通道的“X”状区域中的折射率n0r可以通过将在没有通道的情况下经过卷绕单元(130)的入口(120)到卷绕单元(130)的出口(140)的波速除以经过卷绕单元(130)从入口(120)到出口(140)的波速来定义。例如,当卷绕单元(130)的波传播长度为入口(120)与出口(140)之间的直线距离的4.2倍时,折射率n0r为4.2。对应波的高折射率和流逝的相位可以通过在通道上提供如期望大小的曲率而实现。基于卷绕的人造原子单元的超材料可以有效操作而不引起低频声波的衍射效应。因此,控制声波的装置的尺寸可以通过采用相应的超材料来减小。
[0072] 在下文,将描述二维人造原子(200)中的散射关系(即频率和频率矢量之间的关系)。通过应用弗洛克-布洛赫(Floquet-Bloch)理论,可以大致获得如下面的方程1的散射关系(dispersion relation)。
[0073] <方程1>
[0074] COSΦC’A’+COSΦC’B’=2COS(nor2k0a)
[0075] 其中ΦC’A’和ΦC’B’分别表示图2b中在C’A’和C’B’方向上的布洛赫波的流逝的相位。在方程1中,k0表示声波数,并且nor2表示第一和第二卷绕单元(210和220)的折射率。图2a所示的二维人造单元中的卷绕单元关于中心点C旋转地对称,从而卷绕单元的折射率彼此一致。
[0076] 方程1表示散射关系和带折叠(band folding)。由于二维人造原子在C’A’和C’B’方向二者上以相同的系数nor卷绕空间,所以等频线(EFC)非常靠近Γ点附近的圆(即,COSΦC’A’=COSΦC’B’=0)。这产生对于图2a的二维人造原子(200)的各向同性的折射率。Γ点处的归一化的频率ωa/(2πc)(其中ω是声波的每个频率,c是空气中的声波速度)可以被发现为1/n0r2的整数倍。
[0077] 因此,带在频率范围中的位置可以通过n0r2或声波在卷绕单元中的路径长度来调整。较长的路径长度相当于较高的折射率n0r2。这导致在足够低的频率具有带折叠的二维人造原子的形成,并且由二维人造原子形成的超材料仍可以通过在Γ点附近的有效密度和有效体积模量二者来描述。
[0078] 图3a是示出图2a的二维人造原子(200)的带结构(频率和波矢之间的关系)的视图,图3b至3d是示出图3a的第一带至第三带的等频线(EFC)的视图。
[0079] 在图3a中,第一实线(L1)表示波在空气中的特性,第二实线(L2)表示由方程1获得的二维人造原子(200)的带结构。虚曲线(L3至L7)表示通过DMS模拟获得的数值结果。第一带至第五带(L3至L7)形成为从低频到高频。第二带(L4)和第四带(L6)在频率0.11和0.22附近的斜率变平为几乎零。
[0080] 图3a的ΓX方向对应于图2a的CB方向。除了由于二维人造原子中每个卷绕单元内的通道的区域(其表示在ΓM位置处的圆a1、a2和a3)的有限宽度引起的小的频率偏移之外,模拟的带结构几乎类似于方程1的带结构。在较低的频率,通道宽度远小于波长,因此确定通过模拟和方程1获得的两个带结构彼此一致。在ΓX和ΓM方向二者上在Γ点周围的散射关系的斜率由于带折叠而在第一、第三和第五带(L3、L5和L6)几乎相同。这表示二维人造原子的折射率是各向同性系数。因此,确定如图3b至3d所示的具有从0至0.04、从0.18至0.218、从0.22至0.26的频率ωa/(2πc)的三个带几乎为圆形的,半径上的变化在5%以内。然后,与空气中的散射关系(黑实线)相比,不同的相对系数可以从EFC的大小取得。
[0081] 在第三带(L5),可以获得从0至-1的负折射率,并且在第五带(L7),可以获得小于1的折射率。在带隙的边缘在ωa/(2πc)=0.219周围具有平带。声波在此平带中的模式在本质上是横向的。因此,这样的模式不会被纵向模式的入射平面波激发。
[0082] 此外,通过计算二维人造原子(200)的复合的反射和透射系数,可以计算上述带的相对有效折射率nr和相对有效阻抗Zr。由于缺少局部共振,材料吸收损耗在共振频率附近没有被放大。
[0083] 图4a是示出根据图2a的二维人造原子(200)的频率的相对有效折射率(实线)和相对有效阻抗(虚线)的图形视图。图4b是示出根据图2a的二维人造原子(200)的频率的有效密度(实线)和有效体积模量(虚线)的图形视图。图4a所示的相对有效系数与图3a所示的相对有效折射率相同。图4b所示的有效密度和有效体积模量可以分别通过ρr=nrZr和Br=Zr/nr获得。
[0084] 在具有比人造原子的晶格常数a长的波长的低频区域,ρr和Br可以仅仅是常数。例如,Br=1/(1-f)=1.23,其中f=0.19是填充比(FR,Filling ratio),并且在nr=6
2
时获得相对有效密度ρr=nrBr=44.3。在本说明书中公开的二维人造原子在实现自然界稀有的高折射率上是有效的。例如,当频率范围为从0.18至0.26时,ρr从负变为正,并在ωa/(2πc)=0.218经过零点,这是带隙的下边缘。另外,1/Br也以类似的方式从负变为正并在ωa/(2πc)=0.22经过零点,这是带隙的上边缘。在带隙之下,存在ρr、Br和nr同时都为负的频率区域。为了同时具有负的ρr和负的Br(双负),与重叠两个不同种类的共振以产生双负的传统方法相反,空间被卷绕以给出足够大的n0r。
[0085] 在图2a中,二维人造原子由4个旋转对称的卷绕单元形成,但是二维人造原子不限于此。例如,也可以通过2个旋转对称的卷绕单元形成二维人造原子。此外,二维人造原子可以由不对称或具有不同卷绕程度的多个卷绕单元形成。也就是,各向异性的卷绕单元可以被结合以形成二维人造原子。卷绕单元之间的设置关系或每个卷绕单元的卷绕程度可以根据改变波的特性的目的而变化。也就是,卷绕单元之间的设置关系或每个卷绕单元的卷绕程度可以改变材料系数(即,折射率、阻抗、模量、密度等)。
[0086] 图5是示意性地示出根据本发明构思实施例的三维人造原子的示意图。
[0087] 三维人造原子(300)可以在三个维度通过连接多个卷绕单元(310)而形成,其中每个卷绕单元具有不同的有效波传播。在图5中,曲线表示卷绕单元。例如,6个卷绕单元(310)可以彼此互连以形成三维人造原子(300)。卷绕单元(310)可以在二个维度或三个维度卷绕空间。
[0088] 每个卷绕单元(310)与人造原子(300)的中心连接,并且每个卷绕单元可以在相对于中心点旋转90°时对应于相邻的卷绕单元。此外,每个卷绕单元(310)的有效波传播方向可以不存在于二维平面中。如上所述,卷绕单元之间的布置关系或每个卷绕单元的卷绕程度可以根据改变波的特性的目的而变化。
[0089] 超材料可以通过设置上述人造原子而形成。具体地,超材料可以通过在一个维度、二个维度或三个维度设置一维人造原子或者通过在一个维度、二个维度或三个维度设置二维人造原子而形成。同样地,超材料可以通过在一个维度、二个维度或三个维度设置三维人造原子而形成。另外,超材料可以通过连接一维、二维和三维人造原子中的至少两种然后将它们一维、二维或三维设置而形成。
[0090] 超材料可以通过调整包括在人造原子中的卷绕单元的卷绕程度而是各向同性或各向异性的。当卷绕单元卷绕空间并且超材料具有高折射率时,人造原子可以在具有低有效密度和低体积模量的频率操作。因此,与采用局部共振以获得双负、接近零的有效密度和正折射率的传统超材料相比,超材料可以减少波的损耗。此外,可以制造通过根据本发明构思的超材料改变波的特性的装置。
[0091] 例如,具有负有效密度和负有效体积模量的声棱镜可以采用超材料构造。图6是示出采用图1所示的一维人造原子和图2所示的二维人造原子的相同结构构造的棱镜的示意图。如图6所示,具有45°的倾角的棱镜可以通过在二个维度设置一维和二维人造原子而形成。然后,声束从棱镜的底部进入,该声束具有宽度15.4a的高斯束形式的振幅分布,在真空中具有选择的归一化频率ωa/(2πc)=0.191。二维人造原子在归一化频率处具有相对有效折射率nr=-1,使得该声束经受负折射并从棱镜出射。
[0092] 作为另一个示例,人造原子可以如上所述在非常低的频率具有接近于零的密度。因此,当由人造原子形成的超材料设置在波导内时,波可以引起波导内的隧穿现象。
[0093] 图7a示出当插入阻挡超过波导的宽度的一半的固体板时波的压力场的图形模拟的结果。如图7a所示,固体板(720)插入在波导(710)的中间,并且平面声波(730)从波导(710)的左侧进入至右侧。由于固体板(720)阻挡波导(710)的宽度的一半以上,所以平面声波(730)被严重地散射。
[0094] 图7b示出当根据本发明构思实施例的超材料设置在图7a的固体板(720)周围时波的压力场的图形模拟的结果。图7b的超材料可以通过在二个维度设置二维人造原子而形成。
[0095] 如图7b所示,散射体固定板(720)可以由超材料(740)围绕。在两个模拟中,波导(710)内的入射波(730)的频率是频率ωa/(2πc)=214,其小于相对有效密度为零的带隙的下边缘的频率。小的相对有效密度ρr=-0.1与大的相对体积模量Br=-33一起意味着隧穿的产生。在图7b中确定,平面波在穿过由超材料围绕的固体板(720)时可以被保持而不散射。
[0096] 图8是示出由根据本发明构思的实施例的超材料形成的透镜的示意图。
[0097] 如图8所示,透镜(800)可以通过在二个维度设置多个二维人造原子(810、820和830)而形成。具有大卷绕程度的卷绕单元的二维人造原子(810)可以设置在透镜(800)的中心,并且其它的二维人造原子(820和830)可以设置在边缘,卷绕单元的卷绕程度朝着透镜(800)的边缘降低。因此,可以形成多个二维人造原子,其中卷绕单元从透镜(800)的中心到边缘逐渐变化。透镜(800)可以具有从透镜(800)的中心到边缘逐渐变化的折射率。
[0098] 上述超材料不仅控制声波,还控制弹性波或电磁波。因此,改变弹性波或电磁波的特性的装置可以由超材料制造。
[0099] 应当理解,这里描述的示范性实施例应当仅以描述性的含义来理解而不是为了限制的目的。对每个实施例内的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其它实施例中的其它类似的特征或方面。
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