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出版者:Wiley-Interscience

作者:Benedikt A. Munk

出品人:

页数:189 pages

译者:

出版时间:February 24, 2009

价格:USD 89.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780470377048

丛书系列:

图书标签:

超材料
电磁学
光子学
材料科学
纳米技术
物理学
工程学
周期结构
人工材料
电磁波

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具体描述

A Convincing and Controversial Alternative Explanation of Metamaterials with a Negative Index of Refraction In a book that will generate both support and controversy, one of the world's foremost authorities on periodic structures addresses several of the current fashions in antenna design-most specifically, the popular subject of double negative metamaterials. Professor Munk provides a comprehensive theoretical electromagnetic investigation of the issues and concludes that many of the phenomena claimed by researchers may be impossible. While denying the existence of negative refraction, the author provides convincing alternative explanations for some of the experimental examples in the literature. Although the debate on this subject is just beginning, Professor Munk has received support by various numerical simulations, winning him the encouragement of numerous experts in the field. The issues that are raised here have not been addressed thoroughly by the metamaterials community, and this book will serve as a catalyst for much healthy debate and discussion. Metamaterials: Critique and Alternatives is destined to become a classic resource for graduate students and researchers in electromagnetics, antenna theory, materials research, and chemistry.

《异物质：隐匿与操纵的科学》引言我们身处的宇宙，在宏观尺度下遵循着牛顿定律和爱因斯坦的相对论，在微观尺度下则由量子力学支配。然而，如果有一种物质，它的性质并非源于原子或分子的固有组合，而是来自于其精巧的结构设计，能够以前所未有的方式与电磁波、声波乃至机械波进行交互，那又将是怎样一番景象？《异物质：隐匿与操纵的科学》一书，正是带领读者深入探索这一颠覆性科学领域的权威指南。它并非简单罗列现有技术，而是系统性地揭示了“异物质”（metamaterials）这一概念的由来、核心原理、设计哲学以及其在未来科技发展中可能引发的深刻变革。本书将带领您穿越概念的迷雾，直抵科学的前沿，理解那些曾被认为是科幻小说中的场景，如何一步步成为触手可及的现实。第一章：概念的诞生与理论基石本章追溯了“异物质”概念的起源，从最初的理论猜想，到实验验证的艰辛历程。我们将深入探讨物质的宏观性质如何由其微观结构而非化学成分决定。在这里，您将了解到“负折射率”、“赝电荷”、“赝磁矩”等核心概念的内涵。我们将详细解析，为何看似违背直觉的负折射现象，能够通过精心设计的亚波长结构单元（unit cells）来实现。本书不会止步于概念的呈现，而是会系统梳理支撑这些现象的物理学原理，例如麦克斯韦方程组的张量形式、材料的电磁响应理论，以及晶格动力学在声学异物质中的应用。您将理解，异物质的设计并非随意的堆砌，而是建立在严谨的物理学理论基础之上。我们将重点关注早期研究中那些关键性的理论突破，以及科学家们如何一步步将这些抽象的物理概念转化为可构建的结构。第二章：设计语言：从周期性到非周期性异物质的独特性在于其结构的可设计性。本章将深入剖析异物质的“设计语言”，即如何通过控制其微观结构的几何形状、尺寸、排列方式来调控其宏观性质。您将了解到，周期性结构在早期异物质研究中扮演了至关重要的角色，例如由金属贴片或开口环构成的二维和三维结构。我们将详细介绍这些结构的电磁响应机制，以及如何通过改变单元结构的大小和形状来调控其等效介电常数和磁导率。更进一步，本书将探讨非周期性结构的设计方法，这使得我们能够实现更复杂的函数响应和更精细的控制。我们将介绍诸如拓扑异物质、梯度异物质等新兴的设计范式，以及它们如何为实现前所未有的功能打开新的可能性。例如，拓扑异物质可以表现出对缺陷和边界的鲁棒性，而梯度异物质则允许材料的性质在空间上平滑过渡，从而实现更高效的能量操控。本章还将介绍辅助异物质设计的计算工具和仿真软件，帮助读者理解设计过程的实际操作，但重点在于概念和原理的阐述，而非具体软件的操作教程。第三章：电磁异物质：隐身衣与超分辨成像的曙光电磁异物质无疑是异物质领域中最具突破性的分支之一。本章将聚焦于电磁异物质的原理及其在操控电磁波方面的强大能力。您将深入了解，通过设计特定的亚波长结构，可以实现负折射率、完美吸波、甚至零反射等前所未有的光学和电磁学现象。我们将在本章重点解析“完美隐身衣”的理论基础。这并非是让物体变得“看不见”，而是通过弯曲周围的电磁波，使其绕过物体，仿佛物体不存在一般。本书将详细阐述实现隐身衣所需满足的条件，以及不同设计方案的优劣。此外，本书还将探讨电磁异物质在超分辨成像领域的潜力。传统的光学显微镜受限于衍射极限，无法分辨小于光波长的微小物体。而通过利用负折射材料，我们可以构建“完美透镜”，突破衍射极限，实现远超当前分辨率的成像能力。本章将深入解析这一理论的精髓，以及其在生物学、材料科学等领域的应用前景。当然，我们也将在书中审慎地讨论其目前的局限性，例如工作频带的窄性、制造的复杂性以及损耗问题，避免过度的技术承诺。第四章：声学与机械异物质：静默的守护与结构的韧性异物质并非仅限于电磁波的范畴。本章将拓展视野，探讨声学和机械异物质的独特魅力。在声学领域，异物质能够以前所未有的方式操控声波的传播，实现“声学隐身”、“声学透镜”以及“负体积模量”等奇特效应。例如，通过设计特定的声学结构，可以有效屏蔽噪声，构建“寂静空间”，这在航空航天、城市降噪等领域具有巨大的应用潜力。在机械异物质方面，本章将介绍如何通过设计材料的微观结构来调控其力学响应。这包括实现负泊松比（拉伸时会变厚）、负杨氏模量以及超材料的各向异性力学性质。这些特性使得我们可以设计出既轻便又极其坚固的结构，例如用于抗震建筑、防护装备以及高性能航空器部件。本书将深入解析其背后的力学原理，例如晶格的变形模式、应力分布的调控等，并审慎地讨论这些材料在实际工程应用中可能面临的挑战。第五章：制备与挑战：从理论到现实的桥梁再精妙的理论和设计，也需要可靠的制备技术将其变为现实。本章将审慎地探讨异物质的制备技术，并分析其面临的挑战。从早期的微纳加工技术，如电子束光刻、聚焦离子束刻蚀，到3D打印等增材制造技术，本书将梳理不同尺寸和复杂度的异物质结构所适用的制备方法。然而，制备过程中的难点不容忽视。例如，高精度、大面积的异物质结构制备成本高昂，且难以实现大规模生产。材料损耗、精度控制、以及不同层级结构之间的协同设计，都是制备过程中需要克服的关键问题。本书将客观地呈现这些挑战，而非回避，并分析当前研究在克服这些困难方面的进展。我们将讨论如何通过优化设计、改进工艺以及开发新的材料体系来应对这些挑战。第六章：应用前景：重塑未来的科技版图异物质的出现，为众多领域带来了革命性的可能。本章将展望异物质在不同领域的广泛应用前景，从通信、能源到医疗、传感。在通信领域，异物质可以用于设计更高性能的天线、滤波器和电磁屏蔽器件，提升无线通信的效率和安全性。在能源领域，高效的光捕获和能量转换材料，将为太阳能电池和热电转换器带来突破。在医疗领域，基于异物质的生物传感器和药物输送系统，有望实现更精准的诊断和治疗。在基础科学研究领域，异物质也为探索新的物理现象提供了前所未有的平台。然而，本书将以严谨的态度审视这些前景，区分成熟的技术和尚处于概念验证阶段的设想。我们将强调，异物质的广泛应用仍然需要时间、持续的研究投入和跨学科的合作。我们不会夸大其词，而是鼓励读者理性地思考其潜在价值和发展路径。结语《异物质：隐匿与操纵的科学》一书，旨在为读者提供一个全面、深入且严谨的视角，去理解“异物质”这一颠覆性科学领域。它不是一本介绍现有产品的目录，而是一次关于“如何思考物质、如何设计物质、如何利用物质”的探索之旅。通过系统性的梳理理论基础、设计原理、制备技术和应用前景，本书将帮助您深刻理解异物质所蕴含的巨大潜力，并激发您对未来科技的无限遐想。这趟旅程，将带领您穿越物质世界的界限，触及那些曾经只存在于想象中的可能性。