[发明专利]一种三维纽结超材料及其使用方法

说明书

本发明公开了一种采用形状为三维非平面或非平凡纽结曲线的电导体作为人造微结构的超材料和使用方法，涉及电磁超材料领域。本公开的超材料包括多个人造微结构，所述微结构包括一段形状为三维非平面或非平凡纽结曲线的电导体。所述电导体周围为真空或非导电介质。三维非平面或非平凡纽结曲线在结构上相互扭曲、缠绕，由于其特殊的形状，极大的改变了其表面感应电流分布，从而具有独特的电磁特性。本公开利用三维非平面或非平凡纽结独特的形状，实现独特的电磁特性，包括调整极化状态的功能。

技术领域

本公开涉及一种电磁超材料，特别是一种包括多个形状为三维非平面纽结曲线的电导体的超材料。

背景技术

超材料(metamaterial)是21世界物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。它有三个重要特征包括：

(1)超材料通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)超材料具有超常的物理性质(这种性质往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)超材料的性质往往不决定于构成材料的本征性质，而主要决定于其中的人工结构。

应用于电磁领域的超材料叫做电磁超材料(electromagnetic metamaterial)。它以人造微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布，而且具有特殊的电磁效应。其电磁效应的特征是由其人造微结构的特征所决定的。现有的超材料通常包括基材及附着在基材上的人造微结构。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

随着拓扑绝缘体等新型材料的发现，将拓扑学应用到材料设计也成为未来科技发展的一个趋势。纽结理论属于代数拓扑的一个分支，研究对象是三维空间中的不与自己相交的封闭曲线。圆环是一种最简单的纽结，为二维平面结构，而且也是平凡纽结。所谓非平凡纽结是指至少有一个打结的纽结。由于有打结的存在，非平凡纽结曲线一定是非平面的。图1中分别示例了平面纽结曲线，非平面的平凡纽结曲线，以及非平面的非平凡纽结曲线。其中平面纽结曲线101的参数式为：

x＝rcosθ＝a(1+cosθ)cosθ

y＝rsinθ＝a(1+cosθ)sinθ

z＝0

其为xy平面上的平面纽结曲线。金属圆环或者其它形状的平面纽结结构已经在超材料设计中得到广泛应用。但是非平面纽结及非平凡纽结用于超材料设计还未见报道。

电磁波在传播过程中，如果电场方向随时间变化，则按其旋转方向与传播方向成右手或左手关系，被称为右旋极化电磁波或左旋极化电磁波。所有电磁波都可以表示为左旋极化电磁波和右旋极化电磁波的线性组合。电磁波在传播过程中遇到障碍物会产生反射与透射。通过超材料的应用，可以对反射和透射电磁波的极化状态进行调整。对线极化波，可以使线极化电磁波的极化方向偏转。对圆极化或椭圆极化波，可以调整电磁波的极化旋转方向。

三维螺旋线(Helix)是一种被广泛使用的手性材料。2009年，文献[1]中报道了一种极化手性超材料。通过采用左旋或右旋螺旋线结构，可以只让右旋或左旋极化电磁波透过超材料，并反射左旋或右旋极化电磁波，从而调整透射波和反射波的极化手性。但是螺旋线分为左旋螺旋线或右旋螺旋线，一旦结构固定，就决定了其结构分别只能透射左旋或右旋电磁波，同时反射右旋或左旋电磁波：即只能单手工作，不能双手工作，是现有技术的一个缺陷。

图2给出了电磁波入射层状超材料时，入射角度——俯仰角和方位角——的定义。大多数层状超材料都设计为法向入射。当入射角度发生变化时，会导致其工作频率变化，工作性能变差。但是在实际应用中，往往要求超材料具有宽角度入射的性质，这是现有技术难以解决的。

另外，现有文献和技术中，对电磁波极化进行调整的超材料往往为单层结构，所以性能较差，功能单一，这也是现有技术亟需突破和改进的地方。