Метаматериалы: как создать материю с несуществующими свойствами. Наноазбука: метаматериалы Веселаго метаматериалы

Метаматериал

Метаматериа́л - композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой .

Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую «ε» и магнитную «μ» восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесенные в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет возможность выбора (варьирования) различных свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).

Свойства

Прохождение света через метаматериал с «левосторонним» коэффициентом преломления

Одно из возможных свойств метаматериалов - отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления , который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Пример такого метаматериала показан на Рисунке.

Основы эффекта

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

(1)

где - волновой вектор, - частота волны, - скорость света, - квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической и магнитной восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

«Правые» и «Левые» изотропные среды

Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла . Для сред у которых диэлектрическая и магнитная восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля - электрический и магнитный и волновой образуют систему т. н. правых векторов:

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых , - одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический , магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.

В англоязычной литературе описанные материалы называют right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.

Перенос энергии правой и левой волнами

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга , который равен . Вектор всегда образует с векторами , правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых - в разные. Так как вектор совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект .

Дисперсия левой среды

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно , , то энергия волны будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии и .

Примеры распространения волны в левой среде

Суперлинза

Это предложение Дж. Пендри было подвергнуто критике Виктора Веселаго как несостоятельное . Таким образом, вопрос создания суперлинз на основе левых сред в настоящее время дискутируется , а экспериментальные попытки создания линз продолжаются.

Первая экспериментально продемонстрированная суперлинза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами . В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в 2005 году . Это была линза, не использующая негативную рефракцию, однако для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.

Последние достижения в создании суперлинз представлены в обзоре . Для создания суперлинзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешётка. В результате создавалась трёхмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области . Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия .

В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780нм был равен −0.6 .

Применение

В последнее время появились сообщения из ряда научных центров, что Сделан ещё один шаг к созданию плаща-невидимки . Такой плащ позволяет сделать невидимым закрываемый им объект, поскольку он не отражает свет.

Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки.

История

В большинстве случаев история вопроса о материалах с отрицательным коэффициентом преломления начинается с упоминания работы советского физика Виктора Веселаго , опубликованной в журнале "Успехи физических наук" за г. (http://ufn.ru/ru/articles/1967/7/d/). В статье рассказывалось о возможности существования материала с отрицательным коэффициентом преломления , который был назван «левосторонним». Автор пришёл к заключению, что с таким материалом почти все известные оптические явления распространения волн существенно изменяются, хотя в то время материалы с отрицательным коэффициентом преломления ещё не были известны. Здесь, однако, следует заметить, что в действительности значительно раньше такие «левосторонние» среды обсуждались в работе Сивухина (Сивухин Д. В. // Оптика и спектроскопия, Т.3, С.308 (1957)) и в статьях Пафомова (Пафомов В. Е. // ЖЭТФ, Т.36, С.1853 (1959); Т.33, С.1074 (1957); Т.30, С.761 (1956)). Детальное описание истории вопроса можно найти в работе В. М. Аграновича и Ю. Н. Гартштейна (http://ufn.ru/ru/articles/2006/10/c/).

В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой, которые называются метаматериалами. Электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне. Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления.

См. также

Примечания

Engheta Nader Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. - Wiley & Sons. - P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. - ISBN 9780471761020
Smith, David R. What are Electromagnetic Metamaterials? . Novel Electromagnetic Materials . The research group of D.R. Smith (10 июня 2006). Архивировано из первоисточника 15 февраля 2012. Проверено 19 августа 2009.
collection of free-download papers by J. Pendry
Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления // УФН . - 2003. - 7. - с. 790-794. - DOI :10.3367/UFNr.0173.200307m.0790
Munk, B. A. Metamaterials: Critique and Alternatives. - Hoboken, N.J.: John Wiley, 2009. - ISBN 0470377046
A. Grbic and G.V. Eleftheriades (2004). «Overcoming the Diffraction Limit with a Planar Left-handed Transmission-line Lens ». Physical Review Letters 92 . DOI :10.1103/PhysRevLett.92.117403 .
N. Fang et al. (2005). «Sub–Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens». Science 308 (5721): 534–7. DOI :10.1126/science.1108759 . PMID 15845849 . Lay summary .
(2008) «Metamaterials Bend Light to new Levels». Chemical & Engineering News 86 (33).
J. Valentine et al. (2008). «Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index». Nature 455 (7211): 376–9.

Метаматериалы материалы,природные свойства которых обусловлены не столько природными физическими свойствами, сколько периодической микроструктурой создаваемой человеком. Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Микроволны с частотами около 10 ГГц ведут себя в таком кубе необычно, потому что для них куб имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки 2,68 мм Суперлинза со сверх разрешением радиодиапазона 2/24

Свойства и строение метаматериалов Строительными блоками метаматериалов являются электромагнитные резонаторы, обычно в виде металлических полосок, спиралей, разорванных колец. (рис. 1) Изменяя форму, размеры, взаимное расположение резонаторов, можно направленно формировать свойства метаматериалов. Свойства метаматериалов существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяются особым упорядочением и структурой компонентов (рис. 2) рис. 1 рис. 2 3/24

История создания В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провел первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривленной конфигурации. В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду. Первые упоминания о метаматериалах с отрицательным коэффициентом преломления начинаются с упоминания работы советского физика Виктора Веселаго, опубликованной в журнале "Успехи физических наук" за 1968 г. 4/24 Джагадис Чандра Бозе Виктор Веселаго

Отрицательный показатель преломления Для всех сред, которые могут быть найдены в природе, лучи падающего и преломленного света находятся по разные стороны от нормали, восстановленной к границе раздела сред в точке преломления. Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны – это любой металл при частотах выше плазменной частоты. В этом случае ε

Отрицательный показатель преломления Для достижения μ

Видимый спектр Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил -0,6. 7/24 Молекула ДНК

Применение Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. Спектр электромагнитных метаматериалов, разрабатываемых в настоящее время огромен: С помощью метаматериалов можно создавать устройства, создание которых невозможно только при использовании природных материалов. отрицательный коэффициент преломления изображение высокой четкости плащ-невидимка нано-оптические и квантовые информационные технологии радиочастотные, СВЧ, терагерцевые, оптические метаматериалы работы в соответствующей области нанотехнологий - нанофотонике - позволят создавать устройства, гораздо быстрее обрабатывающие информацию, чем существующие компьютеры. Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведкимаскировкирадиоразведки 8/24

Используя метаматериалы можно не только существенно улучшить параметры известных электромагнитных приборов, но и создать принципиально новые приборы: от сверх линз с разрешением много меньшим длины волны излучения до экранов невидимости. Большинство практических применений - от экранов невидимости до сверх линз и поляризаторов требуют создания метаматериала с прецизионными трехмерными элементами. 9/24

ДОСТИЖЕНИЯ: 1. Суперлинза (материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики.Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела.) 2. Видение сквозь стены. (новый класс искусственных материалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого диапазона.) 3. Блеф-стена. (создаёт иллюзию отсутствия реального объекта, то "ворота" формируют впечатление, что объект (в данном случае стена) существует там, где на деле его нет (то есть имеется открытый канал). 4. Антизеркало (при отражении электромагнитной волны оно обращает магнитную составляющую колебаний, но не трогает электрическую. Так что в сравнении с зеркалом обычным, это можно было бы назвать анти зеркалом.) 5. Плащ-невидимка. 10/24

Фотонный кристалл Фотонный кристалл – это периодическая структура, позволяющая изменять направление излучения и выделять (пропускать или поглощать) излучение с определенной частотой. Идея фотонного кристалла была предложена в 1987 году Эли Яблоновичем Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов. 11/24

Фотонный чип Устройство, основанное на квантовой запутанности фотонов, в котором производятся всевозможные манипуляции с квантовым состоянием запутанных фотонов и с высокой точностью производятся измерения полученных результатов. Цель – создание компактных высокоскоростных устройств обработки информации, которые могут успешно справляться с входными потоками, скоростью более чем 100 гигабит в секунду. 12/24 Квантовые запутанности фотонов

14/24

Гиперболические метаматериалы Характеристики: Высокая степень анизотропности Изготавливаются из переходных металлов и диэлектрических слоев Обладают свойствами металла и диэлектрика Дисперсия света в таких материалах становится гиперболической Могут повысить плотность фотонах состояний, пропорциональную скорости радиоактивного распада Большое их количество вызывает потери Метаматериалы с гиперболической дисперсией.Примеры 3D HMMs с высокой степенью анизотропности. Изготовлены из плазмонной нанопроволки(А) и переходных слоев металла и диэлектрика(В). k(x) и k(0)-тангенциальные компоненты нормированного волнового вектора;Ex,Ey,Ez-это диагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости свободного пространства,-длина волны в свободном пространстве. (С)Имитация излучения в HMM и спектра мощности в HMM по (вверху)сравнению с обычными диэлектриками(внизу) 15

Метаповерхности Метаповерхности это очень тонкие пленки метаматериалов, содержащих слои оксидов или двумерную структуру мельчайших субволновых антенн. Метаповерхности создаются с использованием электронно-пучковой литографии или резки сфокусированным ионным пучком, совместимых с существующими полупроводниковыми технологиями и процессами. В последнее время создаются из оксидов цинка и индия, легированного алюминия и галлия. У этих металлов и окисей металлов меньшие оптические потери и более широкие возможности для модуляции в уже существующие оптические системы. Метаповерхность 16/24

Свойства мета поверхностей характеризуются малыми потерями широкий рабочий спектр контроль характеристик света(частота, фаза, импульс, угловой момент и поляризация) эффективная модуляции света генерация световых импульсов заданной формы, управления распространением световых пучков в пространстве диагностика структур с нано точностью 17/24 Изображения мета поверхности, полученное при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

18/24 Справа на рисунке (часть Б) схематически изображена так- называемая "гиперболическая мета поверхность" - миниатюрная металлическая решетка, используемая для увеличения скорости испускания фотонов квантовыми излучателями. Область ее применения - квантовые информационные системы, включая квантовые компьютеры, потенциально намного более мощные, чем современные компьютеры Слева на рисунке (часть A) показана матрица нано-антенн, представляющая собой пример плазмонной мета поверхности. Ее использование возможно в ряде приложений, включая применение ее в качестве гиперлинзы с целью повышения разрешающей способности оптических микроскопов, в некоторых случаях до 10 раз.

Гиперболические мета поверхности Характеристики: Малые,восполнимые потери Широкий контроль над плотностью фотонных состояний Гиперболические мета поверхности.(А) Иллюстрация увеличения скорости излучения квантовых источников на мета поверхности,состоящей из металлической решетки на диэлектрической подложке (В и С)Иллюстрация поверхностных гиперлинз без усиления(В) и с усилением (С).Два рассеивателя находятся на верхней части решетки и обладают субволновым разделением 19/24

Применение мета поверхностей Могут быть интегрированы в более сложные схемы: микропроцессор компьютера миниатюрные многофункциональные приборы применяемые в биологии и медицине (Чтобы «увидеть насквозь» человека или предмет, в будущем не придется прибегать к небезвредному рентгену. Метаматериалы позволят работать с любыми длинами волн – и для любых целей). мета поверхности также можно использовать как широкодиапазонный инфракрасный химический датчик метаструктуры могут быть использованы для создания компьютерных голограмм Применение в квантовых информационных технологиях Фото разработанной учеными металинзы под микроскопом. Один из примеров компьютерной голограммы 20/24

Вывод Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. отрицательный коэффициент преломления изображение высокой четкости маскировочные технологии нано-оптические и квантовые информационные технологии компьютерные технологии на основе фотонного чипа В каждой из областей ученые добились немалых достижений, но пока технологии на основе метаматериалов не получили широкого использования в обществе. Основная проблема во всех областях-миниатюризация технологий. 21/24

Список литературы Планарная фотоника и мета поверхности (Килдышев А.В.,Шалаев В.М) - Метаматериалы или дилемма «невидимости» Отриц. показатель преломления Метаматериалы для видимого спектра применение метаматериалов 22/24

Так соборы кристаллов сверхжизненных
Добросовестный свет-паучок,
Распуская на ребра, их сызнова
Собирает в единый пучок.
О.Мандельштам

Детская задачка «Что тяжелее, килограмм ваты или килограмм железных опилок?» поставит в затруднение разве что несообразительного первоклассника. Гораздо интереснее порассуждать на тему: «Какими свойствами будет обладать материал, который мы получим, если тщательно смешаем мелко измельченную вату и железные опилки?» Интуитивно понятно: чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить свойства железа и ваты, после чего можно с уверенностью утверждать, что полученный материал наверняка будет, например, реагировать на присутствие магнита и воды. Однако всегда ли свойства многофазного материала определяются исключительно свойствами образующих его компонентов? Хочется ответить на этот вопрос положительно, ведь сложно представить себе, скажем, смесь диэлектриков (например, опилок и пенопластовых шариков), которая проводит электрический ток.

«Такое бывает только в сказках!» - постарается реабилитироваться первоклассник, вспомнив многочисленных колдунов и волшебниц из детских сказок, которые, смешивая всевозможные мухоморы, лягушачьи лапки и крылья летучих мышей, получали магические порошки, волшебные свойства которых, строго говоря, мухоморам и лягушачьим лапкам несвойственны. Впрочем, как это ни удивительно, современная наука знает примеры того, как совмещение вполне заурядных материалов позволяет создавать объекты, свойства которых не только не присущи используемым компонентам, но, в принципе, не могут быть найдены в природе и, как может показаться на первый взгляд, запрещены законами физики. «Это чудо!», - скажет первоклассник. «Нет, это метаматериалы!» - возразит современный ученый. И оба будут по-своему правы, потому что с точки зрения классической науки метаматериалы способны творить самые настоящие чудеса. Впрочем, сам процесс создания метаматериала тоже подобен волшебству, т.к. компоненты метаматериала недостаточно просто смешать, их необходимо правильно структурировать.

Метаматериалы - это композитные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.

Одним из наиболее горячо обсуждаемых в последнее время типов метаматериалов являются объекты с отрицательным показателем преломления. Из курса школьной физики хорошо известно, что показатель преломления среды (n ) является величиной, показывающей во сколько раз фазовая скорость электромагнитного излучения в среде (V ) меньше скорости света в вакууме (c ): n = c / V . Показатель преломления вакуума равен 1 (что, собственно, следует из определения), тогда как для большинства оптических сред он больше. Например, обычное силикатное стекло имеет показатель преломления 1.5, а значит, свет распространяется в нем со скоростью в 1.5 раза меньше, чем в вакууме. Важно отметить, что в зависимости от длины волны электромагнитного излучения величина n может различаться.

Чаще всего о коэффициенте преломления материала вспоминают тогда, когда рассматривают эффект преломлении света на границе раздела двух оптических сред. Данное явление описывается законом Снеллиуса:

n 1 ·sinα = n 2 ·sinβ,

где α - угол падения света, пришедшего из среды с показателем преломления n 1 , а β - угол преломления света в среде с показателем преломления n 2 .

Для всех сред, которые могут быть найдены в природе, лучи падающего и преломленного света находятся по разные стороны от нормали, восстановленной к границе раздела сред в точке преломления (Рис.1а). Однако если формально подставить в закон Снеллиуса n 2 <0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

На теоретическую возможность существования уникальных материалов с отрицательным показателем преломления указал советский физик В.Веселаго почти 40 лет назад. Дело в том, что коэффициент преломления связан с двумя другими фундаментальными характеристиками вещества, диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, простым соотношением: n 2 = ε·μ. Несмотря на то, что данному уравнению удовлетворяют как положительные, так и отрицательные значения n, ученые долго отказывались верить в физический смысл последних - до тех пор, пока Веселаго не показал, что n < 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны - это любой металл при частотах выше плазменной частоты (при которой металл становится прозрачным). В этом случае ε < 0 достигается за счет того, что свободные электроны в металле экранируют внешнее электромагнитное поле. Гораздо сложнее создать материал с μ < 0, в природе такие материалы не существуют. Именно по этой причине работы Веселаго долгое время не привлекали должного внимания научной общественности. Прошло 30 лет, прежде чем английский ученый Д.Пендри (John Pendry) в 1999 г. показал, что отрицательная магнитная проницаемость может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L, а зазору соответствует эффективная емкость С, систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой ω 0 ~ 1/(LC) -1/2 . При этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω 0 и отрицательным при ω > ω 0 .

Таким образом, возможны системы с отрицательным откликом как на электрическую, так и на магнитную компоненту электромагнитного излучения. Объединить обе системы в одном материале впервые удалось американским исследователям под руководством Д.Смита (David Smith) в 2000г. Созданный метаматериал состоял из металлических стержней, ответственных за ε < 0, и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0. Несомненно, структуру, изображенную на Рис.2, сложно назвать материалом в традиционном смысле этого слова, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Между тем, данная структура «оптимизирована» для микроволнового излучения, длина волны которого значительного больше отдельных структурных элементов метаматериала. Поэтому с точки зрения микроволн последний также однороден, как например, оптическое стекло для видимого света. Последовательно уменьшая размеры структурных элементов можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцового и инфракрасного диапазонов спектра. Ученые ожидают, что благодаря достижениям современных нанотехнологий в самое ближайшее время будут созданы метаматериалы и для видимого диапазона спектра.

С точки зрения физики метаматериалы с отрицательным показателем преломления являются антиподами обычных материалов. В случае отрицательного показателя преломления происходит обращение фазовой скорости электромагнитного излучения; допплеровский сдвиг происходит в противоположную сторону; черенковское излучение от движущейся заряженной частицы происходит не вперед, а назад; собирающие линзы становятся рассеивающими и наоборот... И все это - лишь небольшая часть тех удивительных явлений, которые возможны для метаматериалов с отрицательным показателем преломления. Практическое использование таких материалов, в первую очередь, связано с возможностью создания на их основе терагерцовой оптики, что, в свою очередь, приведет к развитию метеорологии и океанографии, появлению радаров с новыми свойствами и средств всепогодной навигации, устройств дистанционной диагностики качества деталей и систем безопасности, позволяющих обнаружить под одеждой оружие, а также уникальных медицинских приборов.

Литература

D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.

Метаматериалы — это специальные композиционные материалы, которые получаются искусственной модификацией внедряемых в них элементов. Изменение структуры осуществляется на наноуровне, что дает возможность менять размеры, формы и периоды решетки атома, а также иные параметры материала. Благодаря искусственному преобразованию структуры модифицированный объект приобретает совершенно новые свойства, которых нет у материалов природного происхождения.

Благодаря вышеуказанному преобразованию модифицируется магнитная, диэлектрическая проницаемость, а также иные физические показатели выбранного объекта. В результате преобразованные материалы приобретают уникальные оптические, радиофизические, электрические и иные свойства, которые открывают широкие перспективы для развития научного прогресса. Работы в данном направлении могут привести к появлению совершенно новых устройств и изобретений, которые будут поражать воображение. Это плащи невидимки, суперлинзы и многое другое.

Виды

Метаматериалыпринято классифицировать по степени преломления:

Одномерные . В них степень преломления постоянно меняется лишь в единственном направлении пространства. Подобные материалы выполнены из слоев элементов, расположенных параллельно и имеющих отличающиеся степени преломления. Они способны демонстрировать уникальные свойства лишь в единственном направлении пространства, которое перпендикулярно указанным слоям.
Двухмерные . В них степень преломления постоянно меняется лишь в 2-х направлениях пространства. Подобные материалы в большинстве случаев выполнены из прямоугольных структур, имеющих преломление m1, и располагающихся в среде с преломлением m2. В то же время элементы с преломлением m1 располагаются в 2-х мерной решетке с кубической основой. В результате подобные материалы способны демонстрировать свои свойства в 2-х направлениях пространства. Но двухмерность материалов не ограничивается только прямоугольником, она может быть создана с помощью круга, эллипса или иной произвольной формой.
Трехмерные . В них степень преломления постоянно меняется в 3-х направлениях пространства. Подобные материалы условно можно представить в виде массива областей в объемном значении (эллипс, куб и так далее), расположенных в трехмерной решетке.

Метаматериалытакже делятся на:

Проводники . Они перемещают квазичастицы на значительные длины, но с небольшими потерями.
Диэлектрики . Представляют зеркала почти идеального состояния.
Полупроводники . Это элементы, которые могут, к примеру, отражать квазичастицы только некоторой длины волны.
Сверхпроводники . В этих материалах квазичастицы могут перемещаться почти на неограниченные расстояния.

К тому же существуют материалы:

Нерезонансные.
Резонансные.

Отличие резонансных материалов от элементов нерезонансного типа в том, что у них возникает диэлектрическая проницаемость лишь на определенной частоте резонанса.

Метаматериалы могут создаваться с разными электрическими свойствами. Поэтому их делят по их относительной проницаемости:

DNG , то есть double negative — проницаемости отрицательные.
DPS , то есть double positive — проницаемости положительные.
Hi-Z , то есть high impedance surfaces (высокоомные поверхности).
SNG , то есть single negative — материалы смешанного типа.
DZR , то есть double zero – материал имеет проницаемость равной нулю.

Устройство

Метаматериалыпредставляют вещества, свойства которых обеспечиваются микроскопической структурой, внедряемой людьми. Они синтезируются включением в заданный элемент природного происхождения периодических структур с разнообразными формами геометрии, модифицирующие магнитную и диэлектрическую восприимчивость исходной структуры.

Условно подобные включения можно рассмотреть в качестве искусственных атомов, которые имеют довольно большие размеры. Во время синтезирования у создателя материала имеется возможность придать ему различные параметры, которые базируются на форме и размерах структур, переменности периода и тому подобное. Благодаря этому можно получать материалы, которые имеют удивительные свойства.

Одним из наиболее известных подобных элементов являются фотонные кристаллы. Их особенность проявляется периодической сменой степени преломления в пространстве в одном, двух и трех направлениях. Благодаря указанным параметрам материал может иметь зоны, которые могут получать или не получать энергию фотонов.

В результате, если на указанное вещество отпускается фотон, имеющий определенную энергию (требуемой частоты и длины волны), несоответствующей зоне указанного кристалла, то он отражается в противоположном направлении. Если же на кристалл попадает фотон с параметрами, которые отвечают параметрам разрешенной зоны, то он перемещается по нему. По-другому, кристалл выступает в виде оптического фильтрующего элемента. Именно поэтому указанные кристаллы имеют невероятно сочные и яркие цвета.

Принцип действия

Главной особенностью искусственно образованных материалов является периодичность их структуры. Это может быть 1D, 2D или 3D структура. Фактически они могут иметь самую разную структуру. К примеру, их можно расположить в качестве диэлектрических элементов, между которыми будут находиться разомкнутые проволочные кольца. При этом кольца могут быть передеформированы из круглой в квадратную.

Чтобы свойства электрического характера сохранялись в любых частотах, кольца структурируются замкнутыми. К тому же кольца в веществе часто располагаются случайно. Реализация уникальных параметров нового вещества происходит при резонансе его частоты, а также действующей частоты электромагнитной волны извне.

Применение

Метаматериалынаходят и будут находить широчайшее применение во всех сферах, где применяется электромагнитное излучение. Это медицина, наука, промышленность, космическое оборудование и многое другое. Сегодня создается огромное количество электромагнитных материалов, которые уже находят применение.

В радиофизике и астрономии используются специальные покрытия, которые находят отличное применение с целью защиты телескопов либо сенсоров, применяющих длинноволновое излучение.
В оптике дифракционное преломление также находит широчайшее применение. К примеру, уже создана суперлинза, которая позволяет решить проблему дифракционного предела разрешения стандартной оптики. В результате первый экспериментальный образец линзы продемонстрировал феноменальные показатели, его разрешение было в 3 раза выше существующего дифракционного предела.

В микроэлектронике метаматериалымогут произвести настоящую революцию, которая может изменить жизнь практически каждого человека на Земле. Так могут появиться на порядок меньшие и невероятно эффективные устройства и антенны для мобильников. Благодаря новым материалам удастся расширить плотность хранения данных, а значит, появятся диски и многие другие электронные устройства, которые смогут иметь значительный объем памяти;
Создание невероятно мощных лазеров. Благодаря применению материалов с измененной структурой уже появляются мощные лазеры, которые при меньшей потребляемой энергии выдают на порядок мощный и разрушительный световой импульс. В результате может появиться лазерное оружие, которое позволит сбивать баллистические ракеты, находящихся на расстоянии в десятки километров.

Промышленные лазеры смогут качественно разрезать не только металлические материалы толщиной в несколько десятков миллиметров, но и на порядок большей величины.

Благодаря новым лазерным установкам будут появляться новые промышленные 3d принтеры, которые смогут быстро и с высоким качеством печатать металлические изделия. По своим качествам они практически не будут уступать изделиям, произведенным с применением типичных методов металлообработки. К примеру, это может быть шестерня или иная сложная деталь, на изготовление которой в обычных условиях потребуется затратить много времени и сил.

Создание новых антибликовых материалов. Благодаря их созданию и применению можно будет создавать истребители, бомбардировщики, корабли, подводные лодки, танки, робототехнические системы, мобильные установки типа «Ярс» и «Сармат», которые не будут видны для сенсоров и радаров врага. Подобные технологии могут быть уже применены в истребителях шестого и седьмого поколения.

Уже сегодня удается обеспечить «невидимость» для техники в терагерцевом диапазоне частот. В будущем можно будет создавать технику, которая будет невидима во всем диапазоне частот, в том числе и «видимом» для человеческого глаза. Одним из таких решений является плащ-невидимка. На данный момент плащ-невидимка уже может скрывать небольшие объекты, но у нее есть некоторые изъяны.

Возможность видения через стены. Применение новых искусственных материалов позволит создать приборы, которые позволят видеть сквозь стены. Уже сегодня создаются устройства, которые проявляют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого диапазона.
Создание блеф-стены или несуществующих «копий» военной техники. Метаматериалыпозволяют создавать иллюзию присутствия объекта в месте, где его нет. К примеру, подобные технологии уже сегодня применяются российскими военными для создания множества несуществующих ракет, которые «летят» рядом с настоящей, чтобы обмануть ПРО противника.

Метаматериалы или дилемма «невидимости».

Доклад выполнил

Боровков Иван.

Введение. Определение. Использование.

В науке нечасто приходится пересматривать основы какой-либо дисциплины. Оптика как раз составляет исключение благодаря созданию метаматериалов.

Владимир Шалаев, член консультативного научного совета фонда "Сколково", профессор Университета Пердью (США).

Когда мы говорим о ранее неизвестном предмете, его свойствах и преимуществах, разумно в самом начале дать ему определение. В докладе я равномерно распределил больше десяти определений метаматериала, по-разному раскрывающих природу данного субъекта, а самое главное позволяющих читателю более полно уяснить о чем идет речь.

Я приведу базовые характеристики метаматериалов, примеры невероятных вещей, которые стали возможными благодаря ним, а также примеры вещей фантастических, которые станут обыденностью в будущем. Поехали.

Метаматериа́л - материал, природные свойства которого обусловлены не столько природными физическими свойствами, сколько периодической микроструктурой создаваемой человеком.

Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую ε и магнитную μ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие включения можно рассматривать как искусственные, чрезвычайно больших размеров атомы. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет большой выбор свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).

Метаматериалы не существуют в природе. Это исключительно рукотворные объекты, позволяющие за счет созданной неоднородности их структуры управлять свойствами света и добиваться захватывающих эффектов.

Главная особенность метаматериалов - отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Первое теоретическое обоснование возможности их существования было дано советским физиком Виктором Веселаго в 1968 году. Любопытно, что статья Веселаго на эту тему в журнале "Успехи физических наук" стала наиболее цитируемой публикацией в истории этого издания.

Долгое время "работающие" метаматериалы в силу ряда ограничений получить не удавалось. Однако недавно группа ученых под руководством Владимира Шалаева показала, что материалы с отрицательным коэффициентом преломления, в которых практически нет потерь, реально создавать в оптическом диапазоне длин волн.

По своей структуре метаматериалы, созданные в Университете Пердью, напоминают рыбацкую сеть, ячейки которой состоят из серебра и окиси алюминия.

«Создание и использование метаматериалов только начинается. Это задача новой области науки - трансформационной оптики», - сказал Шалаев.

"Можно создавать пространственное распределение диэлектрической и магнитной проницаемости - и проделывать различные трюки со светом", - пояснил докладчик.

Метаматериалы позволяют, по словам ученого, "привести" свет к наномасштабу и далее им манипулировать. К примеру, работы в соответствующей области нанотехнологий - нанофотонике - позволят создавать устройства, гораздо быстрее обрабатывающие информацию, чем существующие компьютеры.

"Можно заставить свет огибать нужную часть пространства - и тогда получится шапка-невидимка", - привел наиболее популярный пример использования метаматериалов Шалаев.

"Герберт Уэллс, создавая своего человека-невидимку, сформулировал проблему почти с научной точностью", - сказал ученый.

Однако, по мнению специалиста, в трансформационной оптике есть гораздо более интересные вещи. Можно, к примеру, создать оптический аналог черной дыры - такую область пространства, которая будет затягивать в себя свет. Можно "заставить" свет концентрироваться в отдельной точке пространства. И уж совсем фантастично то, что метаматериалы позволяют (правда, пока теоретически) моделировать различные задачи космологии.

Основа эффекта.

Итак, интригующее вступление и оптимистичный взгляд одного из ведущих нанотехнологов мира плавно подвели нас к теоретической части описания эффекта отрицательного показателя преломления света, коим обладают вышеупомянутые метаматериалы.

Прохождение света через границу сред у одной из которых показатель преломления положителен n1 > 0 , другой - отрицателен n2 < 0 .

Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны n1 > 0 n2 > 0.

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

k 2 − (ω / c ) 2 n 2 = 0 (1)

где k - волновой вектор, ω - частота волны, c - скорость света, n 2 = εμ - квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической ε и магнитной μ восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

Уравнение (1) полученно на основе теории Максвелла. Для сред у которых диэлектрическая ε и магнитная μ восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля - электрический и магнитный и волновой образуют систему т. н. правых векторов.

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых ε, μ - одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический , магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга , и который равен . Вектор всегда образует с векторами , правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых - в разные. Так как вектор совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект.

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у нее частотной дисперсии. Если одновременно ε < 0, μ < 0, то энергия волны W = εE 2 + μH 2 будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсией и .

Примеры распространения волны в левой среде.

Двояковыпуклая линза, сделанная из материала с отрицательным показателем преломления, расфокусирует свет, а двояковогнутая - фокусирует.

Плоскопараллельная пластина из материала с отрицательным показателем преломления работает как фокусирующая линза. Красная точка изображает источник света.

Отражение луча, распространяющегося в среде с n < 0 , от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощаюшие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Достижения.

Суперлинза.

Джон Пендри и его коллеги в Physical Review Letters утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету т.к. оно формируется без затухающих (evanescent) волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.

Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами. В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в. Это была линза не использующая негативную рефракцию, однако, для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра. Для создания линзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешетка. В результате создавалась трехмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия.

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью