超材料的主要显著特征是可以人为设计材料来实现在天然材料中不存在的电磁性能。大约有两大类的超材料，即共振型和非共振型。共振型超材料包含左手(LH)超材料，可看作折射率小于1的超材料。在共振型超材料中，倏逝波的周期性太小而不能在两个相邻的金属导体元件之间散射。因此，它不是一个倏逝波散射现象，因为倏逝波本身不是共振的，但是在倏逝波的传播路径中存在金属元件。倏逝波沿途感应出振荡电流，金属元件变得自谐振，并辐射出很小的次级波。由导体元件产生的微小次级波与施加的倏逝波相位相异，我们就可以得到某些有趣的响应。这会修改外加的倏逝波。经改变的倏逝波的周期是原倏逝波的波长的十分之一，导致类似于发生在原子尺度上的共振。非共振型超材料包含各向异性超材料，即双曲超材料。非共振超材料的结构周期则可以远小于波长。对于非共振超材料，截止频率是材料本身变得共振的频率。与共振超材料相比，在非共振超材料中没有电流振荡，也不产生二次波。非共振超材料的性质取决于应用的电源技术。　　设计超材料的主题是如何获得与组分材料不直接相关联的性质，以及构造方法（即，金属环、条，光子晶体等）。设计的构造不同，超材料的等效参数不同。非共振超材料的显著特点是其在宽带技术上的潜在应用。我们可以构造结构来修改施加的倏逝波，用于在非常高的频率下工作的应用。此外，非共振超材料具有很强的结构容差性。然而，非共振超材料的缺点是它们不能实现很多神奇的特性，诸如左手材料，负折射率，零ε/μ超材料，这些都是共振超材料研究的重要组分。　　为了为某些指定的应用设计超材料，我们需要知道所需的介电和磁响应来寻找和加工材料。在每种材料中，电子云与拥有一定束缚电荷的核结合。在不施加电场的情况下，原子保持中性。一旦我们对材料施加电场，电子云被拉伸和移位，材料中的原子被极化，材料开始存储电能。如果我们解除外加电场，那么电子云回复到它们的中性位置后，会像弹簧上的质量块一样来回振荡。结果，振荡的电子辐射出微小的二次波，与所施加的波异相叠加。这种效应是我们所说的材料的电介质响应。类似地，我们有材料的磁响应。这里，电子运动受到限制，趋向于绕核运动，像围绕太阳运行的行星一样。我们知道环行的电荷在该环路的中心感应出磁场，后者可以等效为一个小的磁偶极子。如果我们对该磁偶极子施加磁场，则结果是该磁偶极子在所施加磁场的方向上自对准。这导致磁能存储在该材料中。类似于电场，如果我们解除外加磁场，则对准的磁偶极子再次散开，沿不同方向倾斜，并变得谐振起来。此外，这些磁偶极子在回复后会来回振荡，并且产生与所施加的磁场异相组合的次级波，产生整体减速响应，我们称之为材料的磁响应。　　经过以上关于材料的电介质响应和磁响应的讨论，我们通过拟合洛伦兹振荡模型来设计和制造超材料。该模型来源于电子的运动方程，以洛伦兹参数的形式描述材料的介电性质和磁性质。这些参数包括材料的等离子体频率（开关频率），用于描述信号（外加电磁波）损耗的阻尼因子，和谐振频率（回复力）。利用这些参数绘图，可以恢复材料的相对介电常数和磁导率的实部和虚部，用于分析其在工作频率下所需谐振行为对应的洛仑兹响应。可以观察到，当倏逝波通过它时，材料的回复力恢复了入射波的幅值。若忽略所速洛伦兹振荡模型中的回复力，将导致材料中电子的自由运动，在等离子体频率以下会得到非常负的介电常数。即，在材料中不存在回复力的情况下，其大虚部、强损耗将使得通过的倏逝波无法复原入射时的幅值。　　在不对人体做任何手术探查的条件下，研究人类病理和获得解剖图像是可能的。这得益于磁共振成像(MRI)技术。MRI是表征人体生理和神经化学的基石技术。在临床试验阶段，人类疾病的研究和治疗伴随着对不同动物的解剖学的医学研究。通过对动物解剖模型采用不同的成像技术，我们能够对模型不做任何手术探查而采集到额外的图像。这促生了不同于手术侵入的非侵入式技术，并且开启了更准确地研究人类病理的可能性。　　MRI扫描仪的工作原理是，质子在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收特定频率的射频辐射。在拉莫尔频率，原子的质子从基态受扰动并吸收能量。能量的吸收取决于MRI扫描器外部静磁场(B0)的强度和旋磁比。质子的自旋被分解在两个方向。其一为纵向磁化，质子被静态场(B0)极化，对应自旋焓(T1);其二为横向磁化，横向瞬态脉冲磁场(B1)会将质子自旋翻转90°，后者在脉冲结束后逐渐弛豫到与静磁场对齐的状态，并在MRI扫描线圈的接收器处产生弛豫信号，对应自旋熵(T2)。MRI扫描仪的成像能力根据其转换速率，上升时间，平顶，视场，自旋包，回波间隔，回波时间，接收时间和GRE序列来评定和分析。　　超材料的应用领域之一是MRI。理论和实验证明超材料可以改善图像分辨率、图像采集时间和人体内部的图像质量。人们设计出了用于MRI成像的超材料透镜，利用的是诸如电容性负载裂环谐振器(CLSRR)、边缘/宽边耦合裂环谐振器(EC/BC-SRR)、磁感应(MI)波导、用于内窥镜检查的金属阵列特异材料。主要思想是增强体内感兴趣区域(ROI)的磁场强度和SNR。它取决于B1，后者主要由MRI系统的发射/接收MR线圈控制。B1扰动处于平衡态的ROI区的质子，并在接收端MR线圈得到图像数据。科学家曾引入过表面线圈/体线圈，谐振器和多发射/接收天线阵列的复杂布置，以减少SAR（特定吸收率）与信号损耗并增加磁场的均匀性。但提出的这些想法设计复杂，对应的实现方案很昂贵。我们为MRI扫描仪设计的超材料包含在以下的具体项目中:　　(a)用于增强0.35-T MRI系统的图像质量的紧凑/薄的超材料(MM)透镜。透镜结构基于厚度仅为2.5mm——对应于结构的边长——的裂环谐振器(SRR)的三维阵列。除SRR，引入参数元件（电容,电感），实现了0.35-T MRI系统在14.88MHz这一非常低的工作频率下所需的谐振。实现了人体内磁场(B)和SNR（信噪比）的谐振增强和MR（磁共振）线圈效率的提高。　　(b)用于1.5-T MRI系统中的零磁导率(μ=0)裂环共振型(SRR)磁反射超材料(MM)，其可以扭曲和抑制均匀的RF（射频）磁场。该设计由包含参数元件（电容，电感）的PCB（印刷电路板）组成并且附接有SRR，总厚度仅为5mm。当反射器在优化位置与MRI扫描器一起使用时，将均匀地重新分布和增强静态磁场，同时通过改善体内扫描区域处的SNR（信噪比）以保持低的特异吸收率(SAR)、低的电场和功率耗散，来防止人体组织的加热并且显著降低人体组织因吸收RF能量而导致的损伤效应。　　(c)可用于增强1.5-T MRI系统图像质量的紧凑/薄的宽边耦合(BC)裂环谐振型(SRR)超材料(MM)透镜。我们分析了两个强耦合的BC-SRR铜阵列，它们连接在PCB（印刷电路板）上，并加载参数元件（电容和电感）。设计的重点是其紧凑的厚度，仅3.2mm。它在不同工作频率下的可调谐性则得益于参数元件。相比前人的工作，它对MR线圈的设计没有限制。组合使用参数元件、铜环和SRR的技术，之前并没有被用在如此低的工作频率上。此外，设计的透镜改善了BC-SRR阵列之间的互感，并且最终恢复了在所考虑区域处磁场(B)的幅度，提高了图像质量。　　(d)可用作杂化磁性超材料帽(HMMH)的多重圆杂化表面线圈的独特组合。HMMH不仅加强了其绕轴线的射频（RF）旋转对称性的均匀性，而且改善了7-T MRI系统对鼠脑成像的信噪比(SNR)。我们分析了连接在圆线圈形印刷电路板(PCB)基板上的强耦合圆形铜线圈的周期性阵列。在该设计中，一些铜线圈受到装载有参数元件（电容和电感）的槽腔的激发。此外，HMMH形式的线圈利用混合模式的优点，通过同时激发两个特征模式，能在ROI处产生出均匀磁场和增强的SNRc与单环RF线圈相比，其向感兴趣区域(ROI)呈现更好和更深的RF灵敏度。　　(e)用作可调谐杂化磁性超材料帽(THMMH)的多重圆杂化表面铜线圈的独特组合。在THMMH中，一些线圈受到装载有参数元件（电容）的槽腔和正弦稳态电流源(IS)并行合并器的激发，后者由外部施加。我们介绍了IS的意义，即改变了纳米尺度上的力平衡:通过将安培力引入设计的电路，改变了其光学性能，最终产生了可调谐、可重构的磁性超材料帽。此外，对于7-T MRI这一应用，我们进行了THMMH和不可调HMMH对鼠脑在300MHz成像的效率比较。我们观察到THMMH不仅同样加强了其绕轴的射频(RF)旋转对称的均匀性，而且不需改动结构就可灵活改动工作频率，也即成功验证了其可调谐性。　　我们认为，对于应用于MRI的超材料，仍然有很多潜能有待被揭。