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“超材料（metamaterials）”：超越天然材料的自然极限（3）
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3、崭新的设计理念
“超材料”重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，也体现在它提供了一种全新的思维方法――这种思维方法对材料科学家来说是非常宝贵的，因为它为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。
基于“超材料”观念的材料设计方法是多种多样的。事实上，早在metamaterial的观念出现以前，甚至韦谢拉戈突出左手材料的设想以前，人们已经有过非常类似的尝试。一个典型的例子是多层陶瓷电容器（MLCC）。多层陶瓷电容器是70年代发明的一种电子元件。它是有陶瓷介质层和内电极交叠而成，相当于多个电容并联在一起，或使电容器的电极面积增加了若干倍。众所周知，对于平板电容器，其电容量与其中的电介质材料的介电常数、电极面积成正比，而与电容器厚度成反比。因此，如果我们不把多层陶瓷电容器看成是一个多层器件，而仅仅看成是由具有某一介电常数的陶瓷介质构成的单层平板电容器，即把其中的多层结构看成是一种“材料”（事实上是超材料），则该“材料”的表观介电常数可高达陶瓷介质的n2倍。这种结构的设计中，事实上也包含了metamaterial的设计思想，只是把没有最终的多层结构看成是一种“材料”，而是将其视为“器件”。随着材料技术的发展，“材料”的观念也在变化――以往人们“材料”的认识往往是“原材料”，而今天人们所研究的先进材料，很多都是具有在一定尺度上的结构调控。由此，广义的讲，可以吧MLCC中的多层结构本身看成是一种“材料”。而这种“材料”的性能将是普通材料所无法比拟的。
“超设计”一个较重要的理念是巧妙利用材料中的“关键物理尺度”。材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物理尺度有关。一个最直观的例子是晶体。晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式，它的有序主要存在于原子层次，正是由于在这个尺度上的有序性调制，使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征。由此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质。因此，人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。
对于材料与各种波的相互作用，波长尺度往往是材料的关键物理尺度。光子晶体是利用关键物理尺度的控制来实现材料超常物理性质的典型例子，它是通过在波长尺度上材料的介电周期结构来实现对光子在其中运动状态的调控的。
而在70年代初由诺贝尔奖获得者江崎等提出的半导体超晶格，则是基于通过半导体能带的周期结构调制其中电子运动的调控。因此广义的讲，半导体超晶格也可以看成上一种“超材料”。
事实上，在没有任何理论指导的情况下，人们就已经在实践经验的基础上来利用材料结构的调控来实现对各种波。一些调制声波的材料仅仅是利用在木板上钻出具有一定分布的空洞，即可获得一些奇特的声学性质。而在调控电磁波方面，一些半经验的天线结构设计也早在光子带隙理论提出之前就得到了应用。这些尝试其实都有“超材料”思想的影子。
最近，美国科学家M.Liu等人发展出的一种具有人工的软磁－硬磁复合材料[8]，则巧妙地利用了磁结构的关键尺度的调控，同时获得了一种既具有高的饱和磁化强度（软磁特性），又具有高的矫顽场（硬磁特性），因此该材料具有非常高的磁能积。这是普通意义上的复合所无法获得的性能。
材料的电磁性质的两个重要参数，一个是材料的介电性质，体现了材料对电场的影响，另一个是磁导率，体现了材料对磁场的相应。在一个以介电常数为横坐标、磁导率为纵坐标的坐标图上，我们可以分析各个象限电磁波传输的特性。通常人们所熟知的介质材料主要在第一象限，介电常数和磁导率皆为正值，电磁波可以正常传输。电场强度、磁场强度和坡印廷矢量遵守右手定则，波矢的方向（相速度的方向）和坡印廷矢量
在第二和第四象限，介电常数或磁导率两者之一可取负值。根据电磁场理论，电磁波在其中无法传输，表现为倏失波，其振幅快速衰减。其中第二象限的材料（负磁导率材料）一般认为自然界中不存在（有关问题会在后面讨论），而金属在一定频段下属于第四象限，即可能有负的磁导率。而通过超材料的设计，这两个象限的材料都是可以实现的。
在第三象限，介电常数和磁导率两者同时取负值。这种材料在自然界中肯定是不存在的。但可以通过超材料的设计来实现，这就是后面所要介绍的“左手材料”。
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