左手材料的奇异特性

清风明月

左手材料的奇异特性
; a0 W8 n3 |& e6 e( R5 V9 l
一、反常Doppler效应
/ p, ^, z9 ?" p3 o. a电磁波能量的传播，即群速度的方向，这个方向有Poynting矢量S=E×H决定。在正常材料中，k和S总是同方向，即相速和群速方向是一致的。但在左手材料中，这两个方向却正好相反，因此左手材料又被称为“负群速度（negative group velocity)材料”。在正常材料中，波源和观察者如果发生相对移动，会出现Doppler效应：两者相向而行，观察者接收到的频率会升高，反之会降低。类比声波在空气中的传播，一列火车迎面开来的时候会听到笛声逐渐变尖，而远离而去的时候音调就会逐渐降低。但在负群速度材料中正好相反，因为能量传播的方向和相位传播的方向正好相反，所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低，反之则会升高，从而出现Doppler频移。如图给出了这样的一个例子，反射界面相对于波源后退，反射波的频率会相应发生变化。
反常Doppler效应的实现有着广泛的应用前景，如可应用于制备体积小、成本低、频段宽的GHz高频电磁脉冲发生装置。LHMs中的反常Doppler效应有望对该领域产生革命性的影响。
) \3 }% k: a3 J
& A4 C/ s% S9 M# L7 Q# F; b
二、反常Cherenkov 辐射
左手材料中，相速度与群速度方向正好相反的另一个推论就是反常Cherenkov辐射。电动力学告诉我们，在真空中，匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波。而当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波。当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁场，称为Cherenkov辐射。正常材料中，干涉后形成的波前，即等相面是一个锥面。电磁波的能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，形成一个向后的锥角，即能量辐射的方向与粒子运动方向夹角q由下式确定：
+ H8 N% w! q; ]6 t! L8 T6 A" }3 s                 covq=c/nv
+ O/ B3 {" F! R$ Q4 u% H' ], ^其中v 是粒子运动的速度。而在负群速度介质中，能量的传播方向与相速度相反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出，辐射方向形成一个向前的锥角。


; l& A8 G: W- \1 l8 G三、反常Goos-Hänchen位移
; h4 c1 w. I; E2 \3 A' n所谓的Goos-Hänchen位移是指当光波在两种介质的分界面处发生全反射时，反射光束在界面上相对于几何光学预言的位置有一个很小的侧向位移，且该位移沿光波传播的方向。
9 ?$ }4 ^4 X$ I1 uGoos-Hänchen位移大小仅与两种介质的相对折射率n21及入射光波方向q有关。引起Goos-Hänchen位移的原因是电磁波并非由界面直接反射，而是在深入介质2的同时逐渐被反射，其平均反射面位于穿透深度处。若介质2为左手材料，则该位移沿光波传播反方向，称为反Goos-Hänchen位移.