新技术前瞻专题系列(四)：超材料(Metamaterial)行业研究框架.pdf

Q1

超材料是什么？

超材料是一种由人工微结构组成的特种复合材料，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性

质。超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是根据需求逆向设计。

超材料的超常物理特性主要表现为负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应等。

语言学习平台

超材料根据设计原理主要分为电磁超材料、声学超材料、热超材料。通过电磁超材料来应用和控制负折射率就能改变人类看到物体的方式，

有望应用于光学领域。通过应用电磁超材料，理论上可以制造出可以看到更小物体的特优透镜（理想透镜）和光学迷彩（隐形衣）。热超材

料可以通过对阳光的反射或吸收来降低设备内部的温升，保护电子设备免受剧烈温差的影响。声学超材料除了作为轻量且有效的隔音材料外，

还有望提高超声波传感器的设置和运用方法以及医学中超声波检查的灵活性。

图1:超材料的分类、功能及应用前景图2:使用电磁超材料控制光折射率的示意图

资料来源：muRata，东兴证券研究所资料来源：muRata，东兴证券研究所

Q2

超材料与天然材料相比有哪些优势？

与天然材料相比，超材料的优势是可以由人工设计的结构单元制造出来。天然材料来自自然，易于获得却难于设计。超材料正好相反，易于设

计，但在很多情况下却难于获得。超材料通常由微米或纳米级的人工结构单元组成，这些单元按照特定的设计规则排列，赋予材料独特的电磁、

光学、声学或力学特性。与传统材料相比，超材料由人工设计，从而实现对光波、声波或电磁波的操控，展现出如负折射、完美隐身、超分辨

率成像等奇异现象。语言学习平台

超材料的特殊物理性质是由人工结构决定的，这些特性使超材料能突破一些表观自然规律的限制。超材料可以通过控制电磁波（光、电波）和

声波等特定波长波的反射和透射，表现出与自然界中的物质不同的行为。超材料中的左手材料同时具有负介电常数和负磁导率。电磁波在该材

料中传播时的电场矢量、磁场矢量以及波矢量之间的关系将不再遵循经典电磁学中的“右手定则”，而呈现出与之相反的“左手关系”，这时

材料中电磁波的波动方向和能量传播方向相反，并表现出一系列有违常理的特性，例如光的负折射、反常多普勒效应、倏逝波放大、完美透镜

效应，以及反常切连科夫辐射等。

图3：超材料的超常特性之一：负折射概念图

资料来源：muRata东兴证券研究所

超材料的超常物理特性主要有：负介电常数、负磁导率、负折射率、逆多普勒效应、完美透镜效应等。这些奇异特性不主要取决于构成材

料的本征属性，而是由超材料单元结构的图案形状、尺寸、排列方式以及介质层的电磁参数等因素决定。

图4：超材料的主要超常物理特性

语言学习平台

逆多普勒效应完美透镜效应

观察者离波源（包括某些超材料能够恢复出经过物体

声源、光源）越近，散射后的消散波，从而突破传统

频率减少或不变透镜的衍射极限，实现超分辨率

成像

0203

逆Cerenkov辐射效应

负折射率

带电粒子在介质中运动时，介质中产生诱导

光波或电磁波在通