Theory and Phenomena of Metamaterials pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Capolino, Filippo (EDT)

出品人:

页数:974

译者:

出版时间:

价格:772.00元

装帧:

isbn号码:9781420054255

丛书系列:

图书标签:

• Metamaterials
• Electromagnetics
• Optics
• Physics
• Materials Science
• Nanotechnology
• Wave Propagation
• Artificial Materials
• Photonic Crystals
• Transformation Optics

探索光与物质的崭新边界：超材料的深层奥秘与前沿应用 导言：重塑物理学的范式 在经典物理学的框架下，我们习惯于将材料的宏观性质视为由其原子和分子层面的微观结构所决定的。然而，自二十一世纪初“超材料”（Metamaterials）这一概念横空出世以来，这种传统的认知受到了根本性的挑战。超材料并非指自然界中已存在的物质，而是一类由人工设计的结构体。通过精确调控其亚波长尺度的几何结构、形状、尺寸和排列方式，这些材料能够展现出自然界中天然材料所不具备的、甚至是理论上被认为是“不可能实现”的电磁学、声学或力学特性。 本书将深入探讨超材料背后的基础理论框架、构建方法论以及它们在多个关键科技领域的颠覆性应用潜力。我们将超越材料成分本身，聚焦于其结构与功能之间的内在联系，揭示如何通过工程设计实现对波传播的精细操控。 --- 第一部分：超材料的理论基石与设计原理 本部分旨在为读者构建理解超材料行为所必需的理论基础，从宏观的有效介质理论过渡到微观的结构响应分析。 第一章：从连续介质到有效参数 介绍传统的电磁学理论（麦克斯韦方程组）如何描述波在均匀介质中的传播。随后，重点阐述“有效介质理论”（Effective Medium Theory, EMT）在描述超材料行为中的核心作用。我们将分析超材料结构单元的尺寸（亚波长尺度）如何允许我们将其视为一种具有宏观均匀性的新材料，并定义其有效介电常数 $epsilon_{eff}$ 和有效磁导率 $mu_{eff}$。讨论如何通过数值模拟和实验测量来提取这些有效参数。 第二章：负折射率的魔力与参数空间的探索 负折射率材料是超材料研究的开端和标志性成就。本章将详述实现负折射率的物理机制，通常涉及同时实现负的有效介电常数和负的有效磁导率。我们将详细剖析“S-Z 结构”（Split-Ring Resonators, SRRs）和“线形导体阵列”（Wire Arrays）等基本结构单元的工作原理，及其对电磁波相位和群速度的独特影响。此外，还将探讨参数空间（$epsilon, mu$ 平面）中其他奇异区域的物理意义，如零折射率材料（Epsilon-Near-Zero, ENZ）和磁导率为零的材料（Mu-Near-Zero, MNZ）。 第三章：广义尺度效应与多物理场耦合 超材料的概念已扩展到超越经典电磁波的范畴。本章将讨论声学超材料、热力学超材料以及机械超材料的设计原理。特别关注对波的捕获、引导和调控是如何通过声学声阻抗或机械弹性模量等参数的等效实现。此外，深入探讨多物理场耦合，例如光热效应、压电效应在超材料结构中的增强表现，这为设计智能响应型材料提供了新的途径。 --- 第二部分：超材料的工程化实现与制造挑战 理论上的设想必须通过精确的工程制造才能转化为现实。本部分侧重于超材料的结构制备技术及其在不同频率范围内的挑战。 第四章：微纳加工技术：从微波到太赫兹波段 对于需要结构尺寸与工作波长成比例的超材料（例如工作在微波和太赫兹波段），制造精度至关重要。本章详细介绍光刻技术、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等半导体和微电子学领域的核心技术如何被应用于超材料的精确构建。重点讨论在硅、金属薄膜等基底上实现高精度三维结构的挑战。 第五章：三维复杂结构的构建：从 2D 到 3D 打印 早期的超材料主要基于二维（2D）的平面结构，例如超表面（Metasurfaces）。本章首先回顾超表面的设计原理——通过梯度相位分布实现对光场振幅、相位和偏振态的局部、亚波长级别的调控。随后，深入探讨增材制造（3D 打印）技术，尤其是高分辨率双光子聚合（Two-Photon Polymerization, TPP）等技术，如何使得制造出具有复杂内部拓扑结构的、真正各向异性的三维超材料成为可能，这对于实现完全空间光束控制至关重要。 第六章：宽带、大角度与可调谐性 实现实用化的超材料器件，必须克服其固有的局限性——通常对波长范围和入射角度的敏感性过高。本章将分析梯度折射率分布、多共振结构耦合等策略如何拓宽材料的有效工作带宽。同时，介绍可调谐/动态超材料的设计思路，包括利用光、电、热或机械应力来实时改变结构单元的共振频率，从而实现对波的动态调制能力。 --- 第三部分：超材料驱动的前沿应用领域 超材料所提供的对波传播的极致控制能力，预示着它们将在诸多高科技领域引发革命性的变革。 第七章：隐身与完美成像：光学操控的巅峰 本章聚焦于超材料最引人注目的应用——电磁波隐身斗篷（Cloaking Devices）。深入剖析实现“空间弯曲”所依赖的坐标变换光学理论，以及如何通过设计特殊的 $epsilon$ 和 $mu$ 分布来实现波前的无扰动引导。同时，探讨超分辨率成像技术，即如何利用负折射率特性克服传统光学衍射极限（如完美透镜），实现对亚波长细节的清晰捕获。 第八章：能量收集与高效辐射：从天线到热管理 在电磁波应用中，超材料可以极大地提升能量转换效率。本章分析超材料天线的设计，如何通过亚波长结构增强辐射效率、减小尺寸或实现多频段操作。在热管理方面，讨论如何设计热超材料来控制热流，实现热波的“隐身”或高效的热量捕获（例如，用于光伏或热电转换的宽带太阳能吸收器）。 第九章：声学与振动控制：无源降噪与波导 将超材料理论应用于声波和机械振动领域。详细介绍声学超材料如何通过引入负的质量密度或体积模量，实现对低频声波的有效隔绝（隔音墙效率的革命性提升）。讨论声波的聚焦、偏转，以及它们在无源噪声消除、声束成形（Beamforming）中的应用。在机械领域，探讨机械超材料如何用于振动隔离和冲击吸收，提供全新的抗震结构设计思路。 第十章：未来展望：智能与生物医学的交汇点 总结超材料领域未来发展的趋势。重点关注可重构、自适应的智能系统，例如集成在柔性基底上的动态超表面，以及它们在光通信中的潜力。最后，探讨超材料在生物医学成像（如高对比度的磁共振成像（MRI）线圈设计、微创诊断工具）和生物传感器中的新兴作用，展示结构工程如何跨越物理学科，深入影响生命科学的前沿研究。 --- 结语 本书通过严谨的理论推导、详尽的工程案例和对前沿应用的展望，系统地梳理了超材料从概念到实现的全貌。它旨在激励读者以一种全新的视角看待物质与波的相互作用，并在跨学科的研究中发掘无限的创新空间。超材料不仅仅是一种材料，它代表了一种通过结构设计来定义物理属性的根本性思维转变。

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