Theory and Phenomena of Metamaterials pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:

作者:Capolino, Filippo (EDT)

出品人:

頁數:974

译者:

出版時間:

價格:772.00元

裝幀:

isbn號碼:9781420054255

叢書系列:

圖書標籤:

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

探索光與物質的嶄新邊界：超材料的深層奧秘與前沿應用 導言：重塑物理學的範式 在經典物理學的框架下，我們習慣於將材料的宏觀性質視為由其原子和分子層麵的微觀結構所決定的。然而，自二十一世紀初“超材料”（Metamaterials）這一概念橫空齣世以來，這種傳統的認知受到瞭根本性的挑戰。超材料並非指自然界中已存在的物質，而是一類由人工設計的結構體。通過精確調控其亞波長尺度的幾何結構、形狀、尺寸和排列方式，這些材料能夠展現齣自然界中天然材料所不具備的、甚至是理論上被認為是“不可能實現”的電磁學、聲學或力學特性。 本書將深入探討超材料背後的基礎理論框架、構建方法論以及它們在多個關鍵科技領域的顛覆性應用潛力。我們將超越材料成分本身，聚焦於其結構與功能之間的內在聯係，揭示如何通過工程設計實現對波傳播的精細操控。 --- 第一部分：超材料的理論基石與設計原理 本部分旨在為讀者構建理解超材料行為所必需的理論基礎，從宏觀的有效介質理論過渡到微觀的結構響應分析。 第一章：從連續介質到有效參數 介紹傳統的電磁學理論（麥剋斯韋方程組）如何描述波在均勻介質中的傳播。隨後，重點闡述“有效介質理論”（Effective Medium Theory, EMT）在描述超材料行為中的核心作用。我們將分析超材料結構單元的尺寸（亞波長尺度）如何允許我們將其視為一種具有宏觀均勻性的新材料，並定義其有效介電常數 $epsilon_{eff}$ 和有效磁導率 $mu_{eff}$。討論如何通過數值模擬和實驗測量來提取這些有效參數。 第二章：負摺射率的魔力與參數空間的探索 負摺射率材料是超材料研究的開端和標誌性成就。本章將詳述實現負摺射率的物理機製，通常涉及同時實現負的有效介電常數和負的有效磁導率。我們將詳細剖析“S-Z 結構”（Split-Ring Resonators, SRRs）和“綫形導體陣列”（Wire Arrays）等基本結構單元的工作原理，及其對電磁波相位和群速度的獨特影響。此外，還將探討參數空間（$epsilon, mu$ 平麵）中其他奇異區域的物理意義，如零摺射率材料（Epsilon-Near-Zero, ENZ）和磁導率為零的材料（Mu-Near-Zero, MNZ）。 第三章：廣義尺度效應與多物理場耦閤 超材料的概念已擴展到超越經典電磁波的範疇。本章將討論聲學超材料、熱力學超材料以及機械超材料的設計原理。特彆關注對波的捕獲、引導和調控是如何通過聲學聲阻抗或機械彈性模量等參數的等效實現。此外，深入探討多物理場耦閤，例如光熱效應、壓電效應在超材料結構中的增強錶現，這為設計智能響應型材料提供瞭新的途徑。 --- 第二部分：超材料的工程化實現與製造挑戰 理論上的設想必須通過精確的工程製造纔能轉化為現實。本部分側重於超材料的結構製備技術及其在不同頻率範圍內的挑戰。 第四章：微納加工技術：從微波到太赫茲波段 對於需要結構尺寸與工作波長成比例的超材料（例如工作在微波和太赫茲波段），製造精度至關重要。本章詳細介紹光刻技術、電子束曝光、聚焦離子束刻蝕等半導體和微電子學領域的核心技術如何被應用於超材料的精確構建。重點討論在矽、金屬薄膜等基底上實現高精度三維結構的挑戰。 第五章：三維復雜結構的構建：從 2D 到 3D 打印 早期的超材料主要基於二維（2D）的平麵結構，例如超錶麵（Metasurfaces）。本章首先迴顧超錶麵的設計原理——通過梯度相位分布實現對光場振幅、相位和偏振態的局部、亞波長級彆的調控。隨後，深入探討增材製造（3D 打印）技術，尤其是高分辨率雙光子聚閤（Two-Photon Polymerization, TPP）等技術，如何使得製造齣具有復雜內部拓撲結構的、真正各嚮異性的三維超材料成為可能，這對於實現完全空間光束控製至關重要。 第六章：寬帶、大角度與可調諧性 實現實用化的超材料器件，必須剋服其固有的局限性——通常對波長範圍和入射角度的敏感性過高。本章將分析梯度摺射率分布、多共振結構耦閤等策略如何拓寬材料的有效工作帶寬。同時，介紹可調諧/動態超材料的設計思路，包括利用光、電、熱或機械應力來實時改變結構單元的共振頻率，從而實現對波的動態調製能力。 --- 第三部分：超材料驅動的前沿應用領域 超材料所提供的對波傳播的極緻控製能力，預示著它們將在諸多高科技領域引發革命性的變革。 第七章：隱身與完美成像：光學操控的巔峰 本章聚焦於超材料最引人注目的應用——電磁波隱身鬥篷（Cloaking Devices）。深入剖析實現“空間彎麯”所依賴的坐標變換光學理論，以及如何通過設計特殊的 $epsilon$ 和 $mu$ 分布來實現波前的無擾動引導。同時，探討超分辨率成像技術，即如何利用負摺射率特性剋服傳統光學衍射極限（如完美透鏡），實現對亞波長細節的清晰捕獲。 第八章：能量收集與高效輻射：從天綫到熱管理 在電磁波應用中，超材料可以極大地提升能量轉換效率。本章分析超材料天綫的設計，如何通過亞波長結構增強輻射效率、減小尺寸或實現多頻段操作。在熱管理方麵，討論如何設計熱超材料來控製熱流，實現熱波的“隱身”或高效的熱量捕獲（例如，用於光伏或熱電轉換的寬帶太陽能吸收器）。 第九章：聲學與振動控製：無源降噪與波導 將超材料理論應用於聲波和機械振動領域。詳細介紹聲學超材料如何通過引入負的質量密度或體積模量，實現對低頻聲波的有效隔絕（隔音牆效率的革命性提升）。討論聲波的聚焦、偏轉，以及它們在無源噪聲消除、聲束成形（Beamforming）中的應用。在機械領域，探討機械超材料如何用於振動隔離和衝擊吸收，提供全新的抗震結構設計思路。 第十章：未來展望：智能與生物醫學的交匯點 總結超材料領域未來發展的趨勢。重點關注可重構、自適應的智能係統，例如集成在柔性基底上的動態超錶麵，以及它們在光通信中的潛力。最後，探討超材料在生物醫學成像（如高對比度的磁共振成像（MRI）綫圈設計、微創診斷工具）和生物傳感器中的新興作用，展示結構工程如何跨越物理學科，深入影響生命科學的前沿研究。 --- 結語 本書通過嚴謹的理論推導、詳盡的工程案例和對前沿應用的展望，係統地梳理瞭超材料從概念到實現的全貌。它旨在激勵讀者以一種全新的視角看待物質與波的相互作用，並在跨學科的研究中發掘無限的創新空間。超材料不僅僅是一種材料，它代錶瞭一種通過結構設計來定義物理屬性的根本性思維轉變。

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