El problema del índice de refracción negativo (la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética son negativas al mismo tiempo) es un campo de investigación muy activo en el mundo en los últimos años. Cuando las ondas electromagnéticas se propagan en materiales con índice de refracción negativo, el campo eléctrico E, el campo magnético B y el vector de onda k forman una relación espiral izquierda, por lo que los materiales con índice de refracción negativo también se denominan materiales zurdos. Veselago imaginó por primera vez teóricamente materiales para zurdos en 1968. Pendry señaló en 1996 y 1999 respectivamente que se pueden utilizar alambres metálicos delgados y conjuntos de anillos resonantes ranurados para construir medios artificiales con constante dieléctrica negativa ε y permeabilidad magnética μ. En 2001, Smith et al. siguieron el método de Pendry para construir un medio artificial con constante dieléctrica negativa y permeabilidad magnética al mismo tiempo, y por primera vez observaron experimentalmente la aparición de ondas electromagnéticas en la banda de microondas cuando pasaban a través de la interfaz entre ellas. este medio artificial y el aire. El fenómeno de la refracción negativa. Aunque al principio hubo mucha controversia sobre los experimentos de Smith et al., desde 2003 experimentos más cuidadosos han confirmado el fenómeno de la refracción negativa.
Existen dos tipos de materiales que producen índice de refracción negativo. Un tipo de material es un material cuya constante dieléctrica y permeabilidad magnética son negativas debido al mecanismo de oscilación local, lo que significa que el material tiene un índice de refracción negativo efectivo. Estos materiales también se denominan metamateriales. La matriz de anillos resonantes ranurados de Smith et al. pertenece a los metamateriales. Sin embargo, la estructura de matriz de anillos resonantes ranurados tiene grandes pérdidas y un ancho de banda de refracción negativo estrecho, y estará sujeta a muchas limitaciones en las aplicaciones. Otro tipo de material es el cristal fotónico, que en sí mismo no tiene un índice de refracción negativo efectivo, pero en algunos casos especiales la compleja relación de dispersión de la banda de energía del fotón puede conducir a una refracción negativa. En los cristales fotónicos, el mecanismo de dispersión de ondas electromagnéticas de Bragg en estructuras periódicas juega un papel importante. Aunque tanto el mecanismo de oscilación local como el mecanismo de dispersión de Bragg no local producen refracción negativa, ambos mecanismos tienen sus propias características. La gente tiene una comprensión relativamente clara del mecanismo de Bragg mediante la selección adecuada de la estructura del cristal fotónico y el diseño de la banda fotónica, se puede obtener la banda de paso de refracción negativa requerida. Sin embargo, el mecanismo de Bragg requiere que la constante de red de la estructura periódica sea comparable a la longitud de onda de la onda electromagnética del espacio de energía. Para las bandas de microondas, la estructura será demasiado grande y limitará las aplicaciones del dispositivo. Además, debido a la no localización del mecanismo de Bragg, es más sensible a lo incompleto de la estructura periódica (como la presencia de desorden estructural y defectos). A diferencia del mecanismo de Bragg, el mecanismo de oscilación localizada no requiere que la constante de red de la estructura periódica sea comparable a la longitud de onda de la onda electromagnética de la brecha de energía, y no es sensible al desorden ni a los defectos. Sin embargo, actualmente la gente no sabe lo suficiente sobre algunas cuestiones clave en el diseño de materiales con índice de refracción negativo utilizando mecanismos de vibración localizados, como cómo aumentar el ancho de banda de paso de refracción negativa y reducir las pérdidas. Se propone otro método para preparar metamateriales, que utiliza una unidad de oscilación inductor-condensador concentrada que se carga periódicamente en una línea de transmisión de microondas para lograr un índice de refracción negativo efectivo. En comparación con la estructura de anillo resonante ranurado de Smith et al., la estructura resonante inductor-condensador agrupada periódica no solo tiene pérdidas más pequeñas y un ancho de banda de refracción negativa más amplio, sino que también puede lograr fácilmente un control de campo externo.
En materiales de índice de refracción negativo, la dirección de propagación de la velocidad de fase de la onda electromagnética (dirección del vector de onda) y la velocidad del grupo (dirección del vector de Poynting) son opuestas, y muchos fenómenos ópticos, como la refracción y el cambio de frecuencia Doppler , La radiación de Cherenkov e incluso la ligera presión deben revertirse. Las imágenes planas que superan el límite de difracción del medio son una aplicación importante de los materiales de índice de refracción negativo, y la investigación en esta área ha despertado un gran interés. Debido a la importancia de los materiales refractivos negativos en la investigación y aplicaciones básicas, la revista estadounidense "Science" los incluyó en 2003 como uno de los diez mayores avances. Actualmente se están llevando a cabo rápidamente investigaciones sobre materiales de índice de refracción negativo desde dos niveles diferentes, profundidad y amplitud, y constantemente surgen muchos resultados teóricos y experimentales novedosos. A continuación se muestran sólo tres novedades relacionadas con esta aplicación.
(1) Los resultados de una simulación numérica sobre el extraño comportamiento de propagación de los fotones en la interfaz y la superficie de materiales con índice de refracción negativo encontraron que cuando los fotones se propagan desde materiales con índice de refracción positivo a materiales con índice de refracción negativo, la luz reflejada en la interfaz y la luz refractada no aparecen al mismo tiempo, pero la luz reflejada aparece primero y la luz refractada aparece nuevamente después de un proceso llamado "carga capacitiva". También existe una "carga capacitiva" similar en el proceso de tunelización de la barrera de fotones, pero actualmente no está claro si existe una conexión entre los dos.
(2) En cuanto al extraño comportamiento de transporte de los cristales fotónicos que contienen materiales con índice de refracción negativo, se encontró que hay cero energía de índice de refracción promedio (n=0) en cristales fotónicos unidimensionales compuestos de positivo y materiales con índice de refracción negativo. Esta brecha de energía es diferente de la brecha de energía habitual de Bragg, es decir, la posición de la brecha de energía no tiene nada que ver con el tamaño de la red y la influencia del desorden es muy pequeña. El trabajo de investigación en esta área está activo y ampliará la comprensión del comportamiento del transporte de fotones en estructuras artificiales complejas.
(3) Utilice el mecanismo de vibración local para diseñar materiales de índice de refracción negativo. Los materiales de índice de refracción negativo existentes se basan en el hecho de que la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética son negativas debido a la oscilación local (también llamados materiales binegativos). Se propone un nuevo mecanismo para formar refracción negativa. El índice de refracción negativo efectivo se logra mediante. utilizando una estructura periódica alterna de un único material negativo con una constante dieléctrica positiva y una permeabilidad magnética negativa (o una constante dieléctrica negativa y una permeabilidad magnética positiva). Investigaciones recientes muestran que las estructuras especiales de oscilación periódica inductor-condensador pueden producir materiales de un solo negativo. La investigación en esta área no solo hace que la realización de materiales de índice de refracción negativo sea más diversa, sino que también profundiza la comprensión de las personas sobre la formación de materiales de índice de refracción negativo. comprensión del mecanismo de tasas.