超材料(Metamaterials)是一个比较新的概念，目前还没有一个统一定义，但学术界普遍认同超材料是“一种具有超常物理性质的人工复合结构”。这里所说的超常性质，是指自然界中原有材料所不具有的独特性质，例如光波在超材料中传播所表现出的性质和现象：反多普勒效应[1]、负折射率[2-3]、反切仑科夫辐射[4]，反古斯－汉森位移[5]和完美透镜[6]等，这些都是常规材料所不具有的。超材料的材料成分并无特别之处，它们特定的排列和结构是他们奇特性质的来源，亚波长结构使它们可以产生强烈的非线性效应，从而可以实现对光波的直接调控[7-9]。75591

 在超材料的最初研究阶段，人们把工作重点放在左手材料的开发上。1968年，前苏联物理学家V。 G。 Veselago就发表了一篇关于左手材料的论文[10]，该论文运用麦克斯韦方程组，从理论上证实电磁波可以在介电常数和磁导率均为负数的双负介质中传播。V。 G。 Veselago将这类介质命名为“左手材料”，与常规介质中的传播不同，电磁波在双负介质中传播时，它的电场E方向、磁场H方向与电磁场传播方向不再遵循传统的“右手螺旋定则”，而是满足“左手螺旋关系”。左手材料的出现打破了人们对介质材料的传统认识，但左手材料的存在与常规物理定理却不矛盾，这一特殊的性质引起了研究者们的广泛关注。论文网

因为Veselago当时的研究还停留在理论研究阶段，并没有通过实验验证这种材料的存在性，况且这种自然界中并不存在的材料所具有的“左手螺旋关系”与人们的常识相悖，因而，即便论文中所说的这种材料具有的性质很诱人，人们在短时间内也难以接受。这导致左手材料在之后的三十年里一直停滞不前。直到20世纪90年代，英国皇家学院院士J。 B。 Pendry等人在研究中发现在一定频段内周期性排列的细长金属棒阵列可以实现负的介电常数[11]， 随后，J。 B。 Pendry等进一步利用周期性排列的开口金属谐振环，通过磁谐振在一定频率范围内实现了负磁导率[12]。这两项工作为左手材料的物理实现提供了理论基础。2001年，D。 R。 Smith研究组依据Pendry的理论模型，将周期性排列的金属谐振环和细金属杆组合在一起，制成了等效介电常数和磁导率同时为负的“双负”材料[9]，并在微波波段利用棱镜实验证明了负折射率的存在(如图1-1)。 

然而，左手材料在起步阶段引起了许多争论，甚至一些研究者对它所具有的特异性质抱以怀疑态度。2003年，在D。 R。 Smith课题组研究的基础上Parazzoli和Houck等人[13,14]通过实验手段验证了左手材料的负折射效应，多年来的争论也因此尘埃落定。近年来，超材料得到了巨大发展，两度被《science》评为年度十大科技进展。

 (a) 金属开口环和金属杆构成的左手材料；(b) 金属杆和金属开口环构成的楔形左手材料的负折射实验示意图

在深入研究的基础上，超材料优越的响应特性不断涌现，这也为超材料的结构设计提供了新思路。例如各向异性超材料的偏振依赖性及其对电磁波辐射、相位和偏振态的调制，偏振元件的实现[15]；本征半导体[16,17]、掺杂半导体[18]、超导材料[19]、绝缘体-金属相变材料[20,21]的引入而实现的调制器、光开关；传感器的设计[22-24]以及基本组成材料的性质和结构参数的影响[25,26]；不同结构组合亦或是多层结构超材料实现的宽频、双频和多频共振响应[27,28]，以及类电磁诱导透明现象[29]的发现等。这些都显示了超材料的广泛应用前景。