什么是超材料

超材料(Metamaterial，MM)，又称"超构材料""超常材料"或是"特异材料"，是指具有天然材料所没有的超常物理特性的等效均匀的人工复合结构或材料。

超材料一般是由人工设计的、周期均匀分布的、亚波长尺寸的金属微结构组成，通过这些金属结构与入射电磁波之间的耦合实现了特定的电磁响应。

超材料既具有亚波长尺寸结构，又是周期性均匀分布，因而当相应波长电磁波入射进入超材料时并不能"分辨"超材料的结构细节，所以相对于入射电磁波，超材料更像是均匀的"介质"。

这种特殊的"介质"其电磁特性是由每个周期单元的结构特性所决定的，包括单元结构的形状、尺寸、金属种类、周期等等。通过设计、优化结构单元的这些参数，就可W实现对于整体超材料电磁特性的调控，所以超材料的结构单元可以看作是电磁特性可控的"人工原子"，而超材料就是由这些"人工原子"所组成的。

超材料的电磁特性

超材料的电磁特性可以用介电常数和磁导率两个等效结构参数来描述。这两个参数进一步决定了材料的等效折射系数，从而可以很方便的描述电磁波在超材料中的传播和折射等物理过程。

基于超材料电磁特性的可设计性质，理论上可以利用超材料在任意波段实现任意的介电常数、磁导率或是折射系数，这大大突破了自然界物质有限电磁特性的这一限制，拓宽了可研究的频谱范围和电磁特性范围。

超材料应用领域

超材料概念的提出，给电子学、光学、声学等领域带来了广泛而深远的影响，其在卫星通信、移动通信、超声波成像和医学成像等民用领域有着极大的应用前景。

超材料在军事领域同样有巨大的应用潜力。以电子战、信息战为主要作战方式的现代战争条件下，作战单位的生存面临精确制导武器的极大威胁，利用超材料超常电磁特性实现的应用有望显著降低武器装备被敌方探测的可能性，极大提高作战单位战场生存能力。

应用详情举例：

超材料在超分辨成像领域的应用：基于超材料制备的负折射材料相比自然界存在的介质存在许多新颖的电磁特性，，光线经过负折射材料时，折射光与入射光处于法线的同一侧。利用这一特点，只需要平面结构的透镜即可对物体进行成像，这就避免了凸透镜、凹透镜等曲面透镜成像过程中造成的像差和球差，使得成像更完美。

另一方面，由于近场光携带更多的物体表面信息，利用近场光成像可以突破波长限制实现超高分辨率的成像。但在普通介质材料中，近场信号会很快衰减，而利用负折射材料中能量传播方向的改变，可得到更强的物体表面近场信号从而实现超高分辨率成像。

总而言之，在利用超材料实现负折射材料的制备基础上，可以实现成像领域对于曲面透镜的依赖，减小成像误差，并利用近场信号得到分辨率方面极大的提升。

超材料在变换光学领域的应用：基于手性结构的各向异性，同样可以制备出具有各向异性的手性超材料，从而对不同偏振态的入射光，超材料会表现出不同的电磁响应特性，同时还可以实现对于偏振态的旋转作用，这无疑为变换光学领域提供了强大的实验制备和实现手段。研究人员已制备了具有空间各向异性的手性超材料，并成功实现了对于电磁波偏振态的调控。

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