超材料是一种人造材料。组成它的基本单元是一些人造小尺寸谐振单元。如果这些单元的结构缺少某个镜面对称,就会出现电场和磁场之间的耦合。即磁偶极子/电偶极子可以被电场/磁场驱动。如果诱导的磁偶极子与(或)电偶极子和入射的电场与(或)磁场在同一个方向上,这种超材料可以分类为手征超材料。手征超材料近来受到广泛的关注以其很强的旋光性质甚至负的光学折射率。　　 在这篇论文中,我们主要研究下面一些问题:　　 1)我们及时地研究了一种简单而通用的可以用来倒逆出手征超材料的等效物质参数的方法。基于传输矩阵技术,该物质参数的倒逆可以推广到不只具有基底层而且可以有覆盖层的样品的处理中。我们发现基底使本来可以认为是均一的介质变得不再能够看成均一的。表现在从正面和反面的反射光不再相同。　　 2)我们从实验上(与别人合作)和理论上在不同波段,设计并研究了两种新的手征超材料。一种是“U”形谐振环设计。它由两层四个“U”形的谐振环组成,谐振环之间互相成90度。另外一种是共轭的“纳粹”标志设计。它由两层“纳粹”标志形状的谐振子共轭地组成。这两种设计是我们首先设计并研究的。跟以往的设计相比,具有更好的性质,比如更大的旋光性能和更小的单元微观尺寸。这两种设计在微波波段都实现了负的等效折射率。　　 3)我们首次把手征超材料应用到Casimir力中。在旋光能力足够强的情况下,我们首次在理论上得到了排斥的Casimir力。Casimir力是一种物理力。在量子场论里面,它来自于量子化的电磁场。Casimir力通常是吸引力。这样在尺寸很小的时候,会使得微器件自发崩溃而粘在一起。因此排斥的Casimir力的实现将会有很多的实际应用,比如:无摩擦地操作微机电或者纳米机电系统。　　 4)我们对比了四种不同的手征超材料设计(扭转的玫瑰形标志设计,扭转的“十”字形标志设计,“U”形谐振环设计,和共轭的“纳粹”标志设计)。发现了“U”形谐振环设计和共轭的“纳粹”标志设计是最有可能实现排斥Casimir力的设计,因为他们具有更大的旋光性能和更小的结构尺寸对波长的比。我们还讨论了存在于这种用手征超材料实现排斥的Casimir力方案中的难题。　　 5)我们利用扩展的Lifshitz理论首次研究了在有限厚度功能板之间的排斥Casimir力的行为,并且发现了一些有趣的现象。　　 6)我们首次研究了在激光辐照下的两个孤立纳米棒之间的光学力以及其周期排列形成的超材料之间的光学力。我们发现两个孤立纳米棒之间的作用力比纳米球更强,因为他们有更强的电和磁偶极子共振。我们还讨论了在由两个纳米棒周期排列形成的超材料之间,元胞尺寸对纳米棒长度的比值决定了电偶极子共振导致吸引力还是排斥力。　　 在该论文中,除了最后一章的光学力部分,这些工作在一起组成了一个有机的整体:从手征超材料物质参数的倒逆到手征超材料的设计,然后再对这些材料的表征并且寻求其可能的应用。我们设计了两种新的手征超材料。跟以往的相比,他们具有更好的性能,比如更大的旋光性能和更小的微观尺寸。我们还发现了手征超材料在Casimir力中的重要应用:在手征超材料的旋光能力足够大的话,排斥的Casimir力将会被实现。这些工作对手征超材料及Casimir力的研究都具有重大的贡献,并在国际上已经产生了重大的影响。