左手材料是什么？
本世纪以来，一种被称为“左手材料”的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域越来越受欢迎，其研究发展迅速，但它的出现源于上世纪60年代前苏联科学家的想象。
在物理学中，介电常数ε和磁导率μ是描述均匀介质中电磁场性质的两个最基本的物理量。在已知的物质世界中，对于电介质来说，介电常数ε和磁导率μ都是正值，电场、磁场和波矢构成右手关系。这种材料被称为右手材料(RHM)。这种右手法则一直被认为是物质世界的规范，但这种规范在60年代开始遭遇颠覆性的挑战。1967年，前苏联物理学家Veselago在前苏联的一份学术期刊上发表论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁性质的新发现，即当ε和μ都为负时，电场、磁场和波矢形成左手关系。他将这种假想的物质称为左手材料(LHM)，并指出电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，如光的负折射、负切伦科夫效应、反多普勒效应等。这篇论文引起了一个英国人的注意，1968被翻译成英文，重新发表在前苏联的另一个物理学学术期刊上。但是很少有人意识到材料的世界已经翻开了新的一页。
由于左手材料的显著特点是介电常数和磁导率均为负值，所以也有人称之为“双负介质(材料)”，通常简称为“负折射率材料”或“负材料”。
二、左手材料——本世纪初的突破引发了人们的无限遐想。
左手材料的研发并非一帆风顺。在这个颠覆性的概念提出后的三十年里，虽然它有很多新奇的性质，但是由于它只停留在理论上，在自然界没有发现实际的左手材料，这个离奇的假设并没有立即被接受，而是几乎被忽略，直到世纪临近才开始出现转机。原因是英国科学家Pendry等人在1998~1999提出了实现负介电系数和负磁导率的巧妙设计结构。此后，人们开始越来越重视这种材料。随着2001的突破，左手材料的研究逐渐在国际上呈现出旋风之势。
2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的大卫·史密斯等物理学家在彭德里等人的建议下，首次制成了一种在微波波段具有负介电常数和负磁导率的材料。他们让一束微波射向由铜环和铜线组成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了左手材料的存在。
2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家宣布，他们制造出了三维左手材料，将对电子通信行业产生巨大影响，相关研究成果也于当月发表在《美国应用物理杂志》上。
2002年底，美国麻省理工学院的孔金欧教授从理论上证明了左手材料存在的合理性，并表示这种人工介质可以用来制造高方向性的天线，聚焦微波束，实现“超级透镜”，用于电磁波隐身。左手材料的前景开始引起学术界、工业界尤其是军方的无限遐想。
2003年是左手材料研究取得许多突破的一年。美国西雅图波音幻影工程公司的C. Parazzoli和加拿大多伦多大学电气工程系的G. Eleftheriades领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律。爱荷华州立大学的S. Foteinopoulou也发表了以光子晶体为介质的左手物质的理论模拟结果。麻省理工学院的e·库布库和K·艾登在《自然》杂志上发表了一篇文章，描述了二维光子晶体中电磁波负折射的实验结果。基于科学家的许多发现，左手材料的发展进入了2003年世界十大科学进展，引起了全世界的关注。
2004年，上海科学家开始出现在国际学术界。“973”光子晶体项目首席科学家、复旦大学子建教授带领的研究团队经过两年的研究和巧妙设计，利用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像实验。论文发表在美国著名的《物理评论》杂志上，立即引起了学术界的极大关注，并被推荐为《自然》杂志的重点新闻之一。同济大学尼尔斯玻尔固体物理研究所陈宏教授为首的研究组于2001开始研究左手材料。经过两年的研究，在基础理论和材料的制备和表征方面取得了很大进展。成果发表在著名的国际物理学杂志上，2004年在国际微波毫米波技术会议上作了报告，2005年将应邀在日本举行的国际微波光学技术研讨会上作报告。
左手材料在本世纪初迅速成为科学界的研究热点。据不完全统计，在国际主要学术期刊上，2000年和2001年发表的左手材料研究论文分别为13篇和17篇，2002年上升到60篇，2003年超过100篇。
第三，左手材料制造的实现孕育了其巨大的应用前景。
左手材料的巨大应用前景源于其制造实现。2000年，彭德里建议制作“超级透镜”(又称“理想棱镜”)，实现左手材料的应用。这个建议在2004年变成了现实，科学家们已经利用左手材料成功制造出了平面微波透镜。2004年2月，莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学家宣布，他们已经成功研制出一种超分辨率透镜，但他们的技术要求被观察物体几乎接触到透镜，这给实际应用带来了操作上的困难。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造了一种左手透镜，其工作原理与微波波长的辐射有关，微波波长在电磁波谱中位于无线电波旁边。两国科学家的研究成果受到科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年国际物理学会最具影响力的研究进展。
此外，根据左手材料的非凡特性，科学家们已经预测，它们可以用于通信系统和数据存储介质的设计，以制作更小的手机或更大容量的存储介质；等效负折射介质电路可以有效减小器件尺寸，拓宽频带，提高器件性能。在未来，左手材料将在无线通信的发展中发挥重要作用。
四、左手材料——已列入2005年国家自然科学基金重点项目指南。
左手材料的研究已经引起了我国相关科学界的关注。除了上海科学家，香港科技大学、中科院物理所、南京大学、北京大学、西北工业大学等单位的科学家都率先涉足这一领域。国家自然科学基金委员会于2005年将左手材料和负折射效应的研究列入重点交叉项目指南，在数学部与工程材料部联合组织的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”和数学部与信息科学部联合组织的“周期与非周期微结构的新光子学特性”主题中，将“左手材料相关基础问题的研究”列为主要探索内容之一。同时，国家自然科学基金委员会信息学部在2005年重点项目指南中列出了“超材料理论与应用基础研究”，超材料是左手材料的别称。
目前，我国(包括上海)主要单位开展左手材料和负折射效应研究的概况如下:
中国科学院物理研究所:该所磁学国家重点实验室广泛探索和研究新型磁性功能材料，如铁磁形状记忆合金，在各种高频下(高达10-100G)具有高磁导率和低损耗(如DC-DC变换器材料和左手材料)；该所微机械加工实验室主要致力于低维人工结构的制作和应用，包括不同结构和左手材料的二维光子晶体、超导量子结构和器件。
香港科技大学:纳米技术研究所所长陈子廷教授是国际著名的凝聚态物理和光子晶体理论专家，主要从事光子晶体和左手材料的研究。
南京大学:电子科学与工程系冯义军教授，主要从事电磁场与微波技术、新型人工电磁材料和微波器件的研究。目前负责新型人工电磁介质的理论与应用研究(国家重点基础研究发展计划973项目)、左手人工电磁材料与微波器件(教育部博士点基金项目)。
同济大学:尼尔斯玻尔固体物理研究所陈宏教授和张教授在左手材料和负折射效应的基础理论、表征手段和器件应用方面取得突破。
复旦大学:由紫剑教授(“973”项目首席科学家)、周磊教授领衔，在左手材料超平面成像、表征和器件应用(微波天线)方面取得重大进展，目前与同济大学、华东师范大学、中科院上海微系统所、中科院上海技术物理研究所、中科院物理所、南京大学、UCLC、美国AMES在该领域开展合作研究。理论物理、凝聚态物理、光学都是国家重点学科和博士点。
上海理工大学:以光学与电子信息工程学院庄院士为首。庄院士长期从事应用光学、光学工程和光电子学研究。设计了100多种光学系统和仪器，是国内最早开发光学系统CAD的研究人员。在复杂物体相位恢复的研究中提出了多种光学方法，开辟了该领域新的研究方向。开发的CdSe CdSe液晶光阀达到了当时的国际先进水平。