负折射率材料不可能存在.pdf

100 第 25 卷第 5 期遵义师范学院学报2023 年 10 月1968 年，苏联的物理学家V.G.Veselago首次提出了负折射率材料的假设1，在负折射率材料中，电磁波矢量方向(相位方向)与能量传输方向相反，电磁E、磁场 H 与波矢量 k 形成左手规则，这不违背折射定律，但自然界中从未发现过负折射率材料的存在。2004 年，英国的科学家Pendry首先提出了负折射率材料的实现方法2，在此之后，提出了许多人工负折射率材料，但它们都是由微观结构的周期性排列组成的3-7。到目前为止，还没有发现天然存在的负折射率材料，所有人工负折射率材料都具有小于电磁波目标波长，但大于原子或分子组成尺寸的周期性微观结构。因此，有理由怀疑负折射率违反了基本的物理规律8-10。一、把光程标记为双向标量光从介质 1（n1 0）到介质 2（n2 0）的垂直入射如图 1 所示。图 1 光从介质 1（n1 0）到介质 2（n2 0）的垂直入射根据图 1，从 O 点到 B 点的光程为OB（1）那么收稿日期：2022-12-03基金项目：贺州学院博士基金项目（HZUBS201809）作者简介：姚剑波，男，贵州遵义人，博士（博士后），教授，CCF 高级会员。研究领域：信息系统与信息安全。负折射率材料不可能存在姚剑波（贺州学院 人工智能学院，广西 贺州 542899）摘要：负折射率材料是一种介电常数和磁导率同时为负的新型人工材料。到目前为止，还没有发现天然负折射率材料，所有人工负折射率材料都具有小于电磁波目标波长，但大于原子或分子组成尺寸的周期性微观结构。因此，有理由怀疑负折射率违反了物理定律。作者根据双向标量的定义，把光程标记为双向标量，然后用费马原理证明了光程为双向标量的折射定律，结果表明负折射率材料不可能存在。关键词：负折射率；材料；双向标量；费马原理中图分类号：O431.1文献标识码：A文章编号：1009-3583（2023）-0100-02Negative Refractive Index Materials Cannot ExistYAO Jian-Bo(School of,Hezhou University,Hezhou 542899,China)The negative index material is a new-style artificial material in which permittivity and permeability are simultaneously nega-tive.Butso far,the naturalnegative refractive index materials is not found and allartificialnegative index materials have periodic micro-structure with smaller size than the wavelength of the target of electromagnetic waves,but greater size than the composition of atoms ormolecules.Therefore,there is reason to doubt the negative refractive index violates the laws of physics.In this paper,according to thedefinition of bidirectional scalar,the optical path is labeled as bidirectional scalar,and then the refraction law of bidirectional scalar isproved by Fermat principle.The results show that negative refractive index materials cannot exist.negative refraction index;material;two-way scalar;Fermat principle第 25 卷第 5 期2023 年 10 月遵义师范学院学报Journal of Zunyi Normal UniversityVol.25,No.5Oct.2023 101（2）这表明光从 O 点到 B 点的传播时间为负，违反了基本的物理规律。有鉴于此，需要重新考虑光程。既有大小，又有方向，但仅且仅有两个相反方向的物理量称为双向标量。由于光路可逆，根据双向标量的定义，当光的传播方向和扩散因子相同时，将光程标记为正，当光的传播方向和扩散因子相反时，将光程标记为负。然后(1)式变成（3）（2）式变成（4）这就避免了光传播时间为负的困境。二、用费马原理证明光程为双向标量的折射定律假设光传播的路径如图 2 所示，把光程标记为双向标量后，从(x1,y1)到(x2,y2)的光程为图 2 光传播的路径（5）根据费马原理，实际的光学距离总是一个极值。那么（6）假若，那么有（7）根据（7）式，当，有 x1 x x2；当，有 x2 x x1；当，有 x=x1=x2。由以上讨论可知，不存在负折射现象。三、结论由于自然界没有发现天然的负折射率材料，但所有人工负折射率材料都具有小于电磁波目标波长，但大于原子或分子组成尺寸的周期性微观结构。因此，有理由怀疑负折射率违反了物理定律。本文首次将光程标记为双向标量，并用费马原理证明了光程为双向标量的折射定律，结果表明负折射材料是不可能存在的。在今后的研究中，将探究具有周期性微观结构的人工负折射率材料呈现负折射现象的机理。参考文献：1V.G.Veselago,The electrodynamics ofsubstances with simu-ltaneously negative values ofand,Sov.Phys,Usp.,vol.10,no.4,pp.509-524,Jan.-Feb.1968.2JB.Pendry,A chiral route to negative refraction.Science,2004,306(19):1353-1355.3J F.Dong,J F.Zhou,T Koschny,et al.,Bi-layer cross chiralstructure with strong optical and negative refractive index.Opt Express,2009,17(16):14172.4R Zhao,L Zhang,J F Zhou,et al.,Conjugated swastika chiralmetamaterial with uniaxial optical activity and negative refra-ctive index.Opt Express,2010,19:1504.5EPlum,J F Zhou,JF Dong,et al.,metamaterialwith negativeindex due to chirality.Phys.Rev.B,2009,79(3):035407.6Z Li,R Zhao,T Koschny,et al.,Chiral metamaterials withnegative refractive index based on four“U”split ring resona-tors.Appl.Phys.Lett.,2010(97):081904.7G Kenanakis,R Zhao,A Stavrinidis,et al.,Flexible chiralmetamaterials in the terahertz regime:a comparative study ofvarious designs.Opt Express,2012,20(6):6146-6156.8B.A.Munk,FiniteAntennaArraysand FSS,Wiley,Hoboken,NJ 2003.9B.A.Munk,Frequency Selective Surfaces:Theory and De-sign,Wiley,New York,2000.10Vadim A.Markel,Correct definition of the Poynting vectorin electrically and magnetically polarizable medium revealsthat negative refraction is impossible,Opt Express,vol.23,2008.(责任编辑：徐国红)姚剑波负折射率材料不可能存在