Opto-Electronic Engineering

光 电 工 程

Features2017 年，第 44 卷，第 1 期

 

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超材料先驱人物导读：超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，具有超越自然界材料电磁响应极限

的特性，包括：可设计的电磁参数、非均匀结构分布、人为设计的各向异性响应等。超材料作为 21 世纪新兴的热门研

究领域之一，曾被美国《Science》杂志评为 21 世纪第一个 10 年中人类最重大的 10 项科技突破之一。从超材料概念

的提出至今，科研工作者们孜孜不倦地致力于开拓与发展超材料理论和技术，用宝贵的科研成果将自己的名字深深铭

刻在科学史上——Jagdish C. Bose，Victor G. Veselago，John B. Pendry，David R. Smith。在这条超材料之路上，先驱们

脚踏实地，秉承着前人的思想宝藏，将自己燃成了一团团火焰，为无数后人照亮了前行的路。

被历史埋没的无线电之父

——Jagdish C. Bose

图 1 Jagdish Chandra Bose.

Jagdish Chandra Bose，物理学家，生物学家，生

物物理学家，植物学家，考古学家，以及早期科幻小

说家。J. C. Bose 居住在当时英国殖民统治下的印度，

率先研究无线电和微波光学，IEEE 将其誉为无线电科

学的先驱之一，并为植物学做出了重要贡献。 J. C. Bose，1858 年 11 月 30 日出生于蒙希甘杰，

位于英属印度帝国的孟加拉管辖区(现在的孟加拉

国)。他父母善良慷慨，品德高尚，父亲 B. C. Bose 作

为福德里布尔县的副县长，体察民情，为民分忧，1878年孟加拉疟疾爆发时出资帮助失去父母的孤儿们，还

建立了孟加拉语学校。J. C. Bose 早年就在这所学校里

与贫苦儿童一起接受教育，从这些百姓身上学会了很

多生活的技巧。随后 J. C. Bose 进入了加尔各答的圣泽

维尔学院学习，英语授课以及种族歧视等问题都没有

影响到他对世界万物的好奇，19 岁获得文学学士学

位。22 岁前往伦敦大学学习医学，但由于健康问题被

迫中止了课程。接着他在剑桥基督教会学院学习拉丁

语和自然科学，以优异成绩通过了剑桥大学文学学士

荣誉学位考试，还通过了伦敦大学科学学士学位考试。

返回印度后，他在加尔各答总统大学谋得一个工作职

位。然而，该校印度籍教师薪水为英籍教师三分之一

的政策使 J. C. Bose 感到羞辱，即便是在无法购置科研

设备进行科研工作的情况下，他仍拒领薪水。随后三

年的无薪工作中，J. C. Bose 以其深厚的知识功底、对

科研的热情和良好的修养赢得了校方的尊重，获得全

额薪水和赞赏。然而实验设备和仪器的匮乏依旧困扰

着他，在近 10 年的时间里，J. C. Bose 省吃俭用，终于

用省下的薪水建立了一个实验室，就是现在著名的加

尔各答博斯研究所。实验室挂牌之时，他说：“这不

仅是一个实验室，还是一座神殿。”他无比热爱他的

事业，在这里投入了全部精力，直至 1937 年 11 月 23日生命的最后一刻。“我们不应该依靠别人做我们的

工作，我们自己必须做我们的工作；但在能做到这一

点之前，必须克服我们的傲慢”——这是他毕生坚持

的信念。 J. C. Bose 所处的时代正是电磁波领域发展初期。

1865 年苏格兰理论物理学家 James Clerk Maxwell 理论

预测了不同波长电磁辐射的存在，1888 年德国物理学

家 Heinrich Hertz 实验证实了自由空间中电磁波的存

在。随后，英国物理学家 Oliver Lodge 于 1894 年 8 月

进行了一次关于无线电波准光学性质的演讲，他的工

作引起了科学界的广泛关注，其中包括 J. C. Bose。Hertz 和其他科学家在实验室用的电磁波均为厘米波，

J. C. Bose 在研究长波类光性质时意识到了长波的不

足，于是开展实验将波长缩小至 5 mm，这是他在电

磁波领域的突出贡献之一。在 1894 年 11 月，加尔各

答市政厅的公开集会中，J. C. Bose 利用毫米波长的微

波信号远距离点燃火药和触响铃铛，证明不用电线也

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能实现能量传递，验证了赫兹电磁波理论的正确性。

1896 年英格兰《每日纪事报》报道：“发明家(J. C. Bose)已经发出了距离近一英里的信号，这是关于这个理论

奇迹的第一个显而易见且极具价值的应用。” J. C. Bose 的实验虽然早于同期其他人，但由于当时种族歧

视的历史环境以及他对科研成果的无偿公开，他的贡

献一度被埋没。1897 年，Bose 受邀向英国皇家学会提

交了微波(毫米波)实验的报告，他使用的波长范围为

2.5 cm 到 5 mm。报告中，他还推测出太阳电磁辐射的

存在，认为太阳大气或地球大气可能是造成辐射探测

失败的原因。直至 1942 年太阳电磁辐射才被探测到；

1944 年科学家发现了 1.2 cm 的大气水蒸气吸收线，

Bose 在微波方面被埋没多年的价值才得以重见天日。 J. C. Bose 在无线电微波光学方面着眼于电磁波的

性质和机理探索，而不是试图将无线电开发成通信媒

介。1894 年，Bose 改造了一个简陋的实验室。在这个

实验室里，他进行了涉及折射、衍射和偏振等方面的

实验。为了接收辐射，他使用了大量不同的连接到高

灵敏度电流计的接头。他详细描绘了接头的电压-电流

特性，并发现了其非线性特性。他利用方铅晶体搭建

了短波无线电波和白光、紫外光接收器，并在演讲中

公开展示其操作方法。虽然 Bose 的工作与通信应用密

切相关，但他拒绝申请专利，放弃商业利益，选择公

开研究成果，推动了无线电通信开发的进程。在 1897年 Bose 向英国皇家学会提交的报告中，其使用的波

导、喇叭天线、介质透镜以及各种偏振器，工作频率

可高达 60 GHz，至今许多设备原型仍然完好地保存在

加尔各答博斯研究所里，如图 2。

图 2 印度加尔各答博斯研究所的 60 GHz 微波仪器.

Pearson 和 Brattain 认为 Bose 最先使用半导体晶

体作为无线电波探测器。1977 年因在固态电子方面贡

献而获得诺贝尔奖的英国物理学家 Neville Mott 指出，

“J. C. Bose 比他所处的时代提前至少 60 年”，“事实

上，他预言了 P 型和 N 型半导体的存在”。 到 19 世纪末，Bose 的兴趣转向了植物对电磁波

的响应现象，包括电磁辐射对植物的影响——现在已

经发展为一个新的研究领域。1898 年他在《Proc. R. Soc. Lond.》上发表了题名为“On the Rotation of Plane of Polarisation of Electric Waves by a Twisted Structure”的

论文。论文中他指出电磁波通过一束扭曲的黄麻后可

以产生手性介质具有的旋光性，并对其进行了实验验

证。他制造了黄麻的扭曲束，并且表明它可以用于旋

转入射线偏振电磁波的偏振面。他进一步使用这种扭

曲电磁介质方法来构造宏观分子模型，并解释了类似

于蔗糖溶液等液体产生的偏振旋转现象。图 3 为黄麻

扭转纤维偏振旋转器示意图。

图 3 扭曲黄麻偏振元件的示意图，用于宏观模

拟某些蔗糖溶液的偏振效应.

这些扭曲结构用现代术语描述即为人工手性介

质，这是历史上第一次利用自然材料产生异常电磁学

现象的报道。因此，Bose 也被认为是超材料研究的开

创者。除此之外，他还研究了晶体中的双折射，晶体

产生电场波的偏振等现象。 由于其在微波和电磁学方面的卓越贡献和杰出成

就，Bose 享誉世界，功勋卓著，1903 年被授予印度帝

国勋章，1912 年被授予印度之星勋章，1917 年被授予

骑士学士，1920 年被授予英国皇家学会院士，1927 年

担任印度科学大会第十四届会议主席，1928 年成为维

也纳科学院成员，1929 年出任芬兰科学和文学学会会

员。2009 年，印度植物园更名为 Acharya Jagadish Chandra Bose 印度植物园，以纪念 Bose 在科研方面的

巨大贡献。2012 年，Bose 关于毫米波段无线电广播的

实验工作被 IEEE 认定为电气和计算机工程领域的里

程碑。

a b c d

Jute elements

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负折射预言家

——Victor G. Veselago

图 4 Victor Georgievich Veselago.

Victor Georgievich Veselago，前苏联莫斯科物理技

术研究所物理学家，率先理论研究超材料。 V. G. Veselago，1929 年生于前苏联乌拉尔地区。

从高中时期开始，他就将所有的业余时间和精力投入

了无线电领域。这项业余爱好启发了他对电学领域甚

至物理学领域的兴趣，于是他加入了莫斯科国立罗蒙

诺索夫大学当时刚设立的物理技术系。V. G. Veselago在 这 里 度 过 了 生 命 中 最 幸 福 的 四 年 。 Mark Yefremovich Zhabotinsky 教授主要负责指导 V. G. Veselago 的毕业论文，使他在无线电电子学和电动力

学方面建立了良好的理论基础。在克里米亚的 P N Lebedev FIAN 射电天文站，V. G. Veselago 拜师 Semen Emmanuilovich Khaikin 教授，在他门下潜心研究无线

电。除此之外，苏联科学院的 Sergei Mikhailovich Rytov教授也是 V. G. Veselago 的启蒙恩师之一。这三位教授

对 V. G. Veselago 后期物理思想的延伸和探索有着深

远的影响。 1952 年，V. G. Veselago 毕业于莫斯科大学。1959

年，他就读于莫斯科的俄罗斯科学院 P. N. Lebedev 物

理研究所，基于分子辐射光谱研究的工作获得了博士

学位，并于 1974 年由于磁场固态方面的研究工作获得

固体物理学博士学位，从 1983 年开始担任 A. M.普罗

霍罗夫物理研究所磁性材料实验室主任。 当 V. G. Veselago 意识到具有负介电常数和磁导

率的材料有可能存在的时候，他的人生和职业生涯发

生了巨大变化。1967 年，他在该领域的第一篇论文"The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ"最初以俄文发表在苏联一个

学术刊物上(Usp．Fiz. Nauk., 1967, 92：517−526)。1968年，美国的法雷将其论文翻译成了英文，并于第二年

重新发表在另一个苏联物理类学术刊物上(Sov. Phys. Usp. 1968, 10(4): 509−514) (图 5)。传统上认为折射率

仅具有正值，而在该文中 Veselago 提出某种材料如果

同时具有负的介电常数和负的磁导率，那么其折射率

将为负值，且在该材料中电场、磁场和波矢之间满足

左手定则，该材料也因此被称为左手材料。该材料的

发现，将颠覆人们对电磁学世界已有的认识，完善现

有的物理学体系。这篇文章奠定了“负电磁参数媒质研

究”的理论基础。然而，同时具有负介电常数和负磁导

率的材料在自然界中并不存在，因此，Veselago 的预

言未能得到科学界的重视，其研究工作的价值一度被

低估，超材料领域的发展进入黑暗期。

图 5 左手材料的成像示意图.

(Sov. Phys. Usp, 1968, 10(4): 509–514.)

提出假说、开展科学论证是建立和发展科学理论

的必经之路。直至 33 年后 David R. Smith 等人制备出

一种具有负折射率的复合材料时，Veselago 的预言才

得以证实。此后超材料领域的研究工作柳暗花明， Veselago 提出的负折射理论的价值才重新被挖掘。

在 David R. Smith 和 John B. Pendry 关于超材料的

研究工作公布之后， Veselago 意识到他原始论文中最

重要的贡献不是复合材料可以被设计从而产生负折射

现象，而是复合材料可以被设计为具有任意值的介电

常数和磁导率。Veselago 认为，超材料领域的下一个

重大突破将是可见光谱范围内透明低损耗负折射超材

料的制备。 作为超材料领域的先驱，V. G. Veselago 获得了

1976 年前苏联国家科学奖、2002 年俄罗斯联邦荣誉。

2009 年，Veselago 赢得了美国光学学会(OSA)颁发的

C. E. K. Mees 奖章。Veselago 和他对负折射率的预言也

被载入了超材料发展的史册。

S A

d

B S

S S

d-l l

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“隐形斗篷”第一人

——John B. Pendry

图 6 John Brian Pendry.

John Brian Pendry 爵士，英国帝国理工学院理论

固体物理学家，以负折射率研究闻名科学界，首次提

出“隐形斗篷”。 J. B. Pendry，1943 年生于英国曼彻斯特。1969 年

至 1975 年间，在剑桥大学取得了自然科学文学硕士学

位和博士学位。1972~1973 年，在贝尔实验室工作。

1975~1981 年，Pendry 担任达斯伯里国家实验室理论

小组负责人，同时被任命为伦敦帝国理工学院的理论

物理教授。1993~1996 年，Pendry 担任英国皇家科学

院院长，1998~2001 年，担任帝国理工学院物理系主

任，2001~2002 年，担任物理科学院院长。 在博士就读期间，Pendry 以低能电子衍射(LEED)

方面的研究开始了他的科研生涯。LEED 是一种用于

检查材料表面的技术，早在 20 世纪 20 年代就已经被

提出，Pendry 将这项技术用于实际。在贝尔实验室，

Pendry 和 Patrick Lee 在光电子光谱学领域合作提出了

第一个 EXAFS 定量理论，因此获得了 1996 年狄拉克

奖。此外，Pendry 注意到光电发射与他在 LEED 方面

的工作类似。作为理论小组负责人，他发表了角分辨

光电发射理论，至今仍是领域内的标准模型。这些方

法使固体和表面的电子能带结构的确定达到前所未有

的精确度。1980 年，他还提出了逆光电子发射技术，

现在被广泛应用于探测自由电子态。 Pendry是超材料和变换光学两个研究方向的创始

人之一，也是历史上提出可实现的隐身衣的第一人。 基于 Metamaterial(尽管当时 Metamaterial 一词未

被使用)的核心思想，Pendry 提出了负介电常数和负磁

导率的材料构造方法。他认为，一种材料不应仅仅只

被认为是一个均匀的块体，它还可以拥有一些细小的

单元。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构

单元中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现

的效应。Pendry 在 1996 年和 1998 年发表了两篇文章，

分别用周期性金属线结构和金属开口谐振环(SRR)结构设计实现了负介电常数和负磁导率。如果把很多细

而直的金属丝(丝径 d、丝间距 a)均匀、立体地排列，

则在入射电磁波波长>>a>>d，且电场与金属丝同方

向时，其等效介电常数可以为负(ε＜0)。而 SRR 被证

明在一定频带内等效磁导率为负(＜0)。这两种人工

结构单元的出现为证实 Vesselago 预测的负折射率材

料提供了可能。2000 年 Pendry 在《Physical Review Letters》上发表文章，指出 Veselago 提出的负折射率

材料可用于实现具有完美成像能力的透镜，并称之为

“完美透镜”(Perfect Lens) (见图 7)。随后 Pendry 构造了

介电常数为-1 的透镜结构，由于这种透镜仅利用介电

常数为-1 的金属材料而磁导率仍为正数，因此不属于

完美透镜，而称之为“超透镜”(Superlens)。超透镜的出

现使纳光学领域发生了翻天覆地的变化，该论文已成

为他所有科研成果中被引次数最多的文章。

图 7 完美透镜.

2006 年 Pendry 产生了一个想法，即弯曲光束并

使其围绕物体传播，从而达到物体隐形的目的。随后

他 发 表 了 论文 "Controlling Electromagnetic Fields" ( Science, 2006, 312(5781): 1780−1782) (图 8)，提出应用

变换光学的方法，即可以通过设计折射率的分布来制

造“隐身斗篷”(Invisibility cloak)。随后，Pendry 与美国

z-a

Image plane Object plane Silver slab

80 nm

40 nm (a)

(b) Object intensity

-100 0 +100X axis/nm

Image with silver slab

Image without silver slab

(c) -|V|2

Image intensity -|V|2

-100 0 +100X axis/nm

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杜克大学的 David Smith 等一起成功地对该理论进行

了实验验证，实现了对包裹物体的电磁隐身。此结果

在科学界引起了巨大反响，也激发了人们对于超材料

研究的兴趣。

图 8 隐形斗篷的光线追迹示意图.

Pendry 于 2004 年被英国皇室授予爵士爵位，2005年荣获欧盟笛卡尔奖，2006 年获得英国皇家学会奖

章。2012 年被选为美国艺术与科学院院士，2013 年被

英国物理学会(IOP) 授予牛顿奖章。2014 年，与 Stefan Hell 和 Thomas Ebbesen 一起分享了纳米科学领域的

Kavli 奖，以表彰其在纳米光学领域突破光学显微镜成

像分辨率极限所做的贡献。Pendry 教授现任帝国理工

大学物理系凝聚态物理组主席，是美国光学学会会士，

剑桥大学唐宁学院荣誉会士，以及 IEEE 会士。

负折射超材料的巨匠

——David R. Smith

图 9 David R. Smith.

David R. Smith，美国物理学家，杜克大学电气与

计算机工程系教授，超材料和集成等离子中心主任。

D. R. Smith 致力于电磁超材料、负折射率材料领域，

特别是光子晶体和超材料的理论和实验研究工作。 D. R. Smith 分别于 1988 年和 1994 年获得了加利

福尼亚大学圣地亚哥分校(UCSD)理学学士学位和博

士学位。他最早提出超材料系统的设计和加工方法，

并开展了多个关键实验证实了超材料的应用潜能，在

电磁超材料领域的理论和实验方面的研究工作硕果累

累。2000 年，Smith 和他的同事在《Physical Review Letters》上发表论文，他将 Pendry 提出的具有负介电

常数的金属线阵列结构和具有负磁导率的 SRR结构相

结合，首次报道了构造微波频率左手材料(负折射率材

料)的方法，从而实现了 Veselago 预测的负折射率材

料。2001 年，Smith 等根据 Pendry 的建议，首次实验

验证了 Veselago 预言中的另一个关键猜想：逆斯涅尔

定律。利用铜环和铜线构成的楔形人工介质首次构造

出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，并

在实验中观察到：一束微波照射人工材料时，出射波

以负偏转角度发生折射的现象，从而实验证明了负折

射率材料的存在。该结果在《Science》上发表(图 10)，激起了科学界对超材料的研究兴趣。目前，Smith 教

授两篇论文的被引次数都超过了 2000。

图 10 左手材料样品示意图.

在第一次超材料实验后，Smith 在 2004 年提出超

材料有更大的设计空间，开始尝试构造超材料来实现

新型渐变折射率介质。通过改变材料中的折射系数，

来产生一种全新光学元件(如镜头)。为了验证 J. Pendry教授 2006 年提出的变换光学理论，同年他和 Pendry、Schurig 一起通过设计超材料构造出了“隐形斗篷”。虽

然该斗篷的隐形能力还局限在微波范围内，但实验结

果足以证明超材料的广阔应用潜力。 Smith 因其在超材料和其他新型电磁材料研究方

面的卓越成绩而获得了多项荣誉。2002 年，他当选为

电磁科学院院士。2005 年，获得了欧盟颁发的笛卡尔

奖，同年又获得了杜克大学普拉特工程学院 Stansell奖。2006 年被评为 “50 位科学美国人”之一。2009 年

路透社将 Smith 列为潜在的诺贝尔物理学奖得主之

一。Smith 教授的著作曾两次出现在《Physics Today》的封面，并两次被选为《Science》杂志“年度十大突破”。

2016年12月31日当选为美国国家发明家科学院院士。