Метаматериал

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Метаматериа́л — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой[1][2]. Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. [3][4]. Под такими свойствами следует понимать особые значения физических параметров среды, например, отрицательные по величине значения как диэлектрической «ε», так и магнитной «μ» проницаемостей, пространственную структуризацию (локализацию) распределения величин этих параметров (в частности, периодическое изменение коэффициента преломления как у фотонных кристаллов), наличие возможности управления параметрами среды в результате внешних воздействий (метаматериалы с электрически управляемой диэлектрической и магнитной проницаемостями) и т.д.

Приставка "мета" переводится с греческого как "вне", что позволяет трактовать термин "метаматериалы" как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.[3][4]. Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми разными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую «\chi_e» и магнитную «χ» 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[править | править вики-текст]

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.

Основы эффекта[править | править вики-текст]

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

 k^2-(\omega / c)^2 n^2 = 0, (1)

где k  — волновой вектор, \omega  — частота волны, c — скорость света, n^2=\epsilon\mu  — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической \epsilon и магнитной \mu восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

«Правые» и «Левые» изотропные среды[править | править вики-текст]

Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла. Для сред, у которых диэлектрическая \epsilon и магнитная \mu восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический \vec{E} и магнитный \vec{H} и волновой \vec{k} образуют систему т. н. правых векторов:

\left [ \vec{k}\vec{E} \right ] = (\omega/c)\mu\vec{H},
\left  [ \vec{k}\vec{H} \right ] = -(\omega/c)\epsilon\vec{E}.

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых \epsilon, \mu  — одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический \vec{E}, магнитный \vec{H} и волновой вектора \vec{k} образуют систему левых векторов.

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

Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны n1>0 n2>0
Прохождение света через границу сред у одной из которых показатель преломления положителен n1>0, а у другой — отрицателен n2<0

Перенос энергии правой и левой волнами[править | править вики-текст]

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга \vec{S}, который равен  \vec{S} = (c/4\pi) \left[ \vec{E}\vec{H} \right ]. Вектор  \vec{S} всегда образует с векторами  \vec{E},  \vec{H} правую тройку. Таким образом, для правых веществ  \vec{S} и  \vec{k} направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор  \vec{k} 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[править | править вики-текст]

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно  \epsilon <0,  \mu <0, то энергия волны  W = \epsilon E^2 + \mu H^2 будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии \partial \epsilon/\partial \omega и \partial \mu/\partial \omega.

Примеры распространения волны в левой среде[править | править вики-текст]

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 \vec{p}=2N\hbar\vec{k}, (N-число падающих фотонов). Световое давление, оказываемое светом на поглощаюшие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Суперлинза[править | править вики-текст]

Джон Пендри[5] 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, так как оно формируется без затухающих 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 позволить получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.

Это предложение Дж. Пендри было подвергнуто критике Виктора Веселаго как несостоятельное[6]. Таким образом, вопрос создания суперлинз на основе левых сред в настоящее время дискутируется[7], 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[8] . В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в 2005 году[9]. Это была линза, не использующая негативную рефракцию, однако для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.

Последние достижения в создании суперлинз представлены в обзоре[10]. 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[11]. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия[12].

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[13].

Применение[править | править вики-текст]

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. Использование метаматериалов в этих целях более перспективно, чем альтернативные подходы. [14]

Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки. Тем не менее, существующие метаматериалы только в первом приближении имеют отрицательный показатель преломления, что приводит к значительным вторичным переизлучениям.[15]

Значительно растет интерес к использованию метаматериалов в радиотехнических приложениях и, в частности, в антенной технике. Основные области их применения [3][4] [16]: изготовление подложек и излучателей в печатных антеннах для достижения широкополосности и уменьшения размеров антенных элементов; компенсация реактивности электрически малых антенн в широкой полосе частот, в том числе превышающей фундаментальный предел Чу[17]; достижение узкой пространственной направленности элементарных излучателей, погруженных в метасреду; изготовление антенн поверхностной волны; уменьшение взаимного влияния между элементами антенных решеток, в том числе в MIMO-устройствах; согласование рупорных и других типов антенн.

История[править | править вики-текст]

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 1968 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)).

Первые работы в этом направлении относятся еще к 19 веку. В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провел первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривленной конфигурации.[3][4]. В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду. [3][4]. В 1946–1948 годах Уинстон Е. Кок впервые создал микроволновые линзы, используя проводящие сферы, диски и периодически расположенные металлические полоски, фактически образовавшие искусственную среду со специфичным по величине эффективным индексом преломления.[3][4]. Детальное описание истории вопроса можно найти в работе В. М. Аграновича и Ю. Н. Гартштейна (http://ufn.ru/ru/articles/2006/10/c/), а также в публикациях Слюсаря В.И.[3][4].

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.

Веселаго предсказал, что определённые оптические явления будут совершенно другими в материалах с отрицательным коэффициентом преломления. Возможно, самым поразительным из них является рефракция — отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред. В нормальных условиях волна появляется на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно этой границе (нормаль к поверхности). Однако, если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой — отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали к поверхности, что и приходящая волна. Также особым свойством метаматериалов является сильная дисперсия.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Engheta Nader Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. — Wiley & Sons. — P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. — ISBN 9780471761020.
  2. Smith, David R. What are Electromagnetic Metamaterials?. Novel Electromagnetic Materials. The research group of D.R. Smith (10 июня 2006). Проверено 19 августа 2009. Архивировано из первоисточника 15 февраля 2012.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 Слюсар, Вадим. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2009 - № 7. C. 70–79 (2009).
  4. 1 2 3 4 5 6 7 Слюсар, Вадим. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты.. Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу “Электроника: Наука, Технология, Бизнес”). – 2010. - № 3 - 4. C. 44 – 60 (2010).
  5. collection of free-download papers by J. Pendry
  6. Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления // УФН. — 2003. — 7. — с. 790—794. — DOI:10.3367/UFNr.0173.200307m.0790
  7. Munk, B. A. Metamaterials: Critique and Alternatives. — Hoboken, N.J.: John Wiley, 2009. — ISBN 0470377046.
  8. 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.
  9. 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.
  10. (2008) «Metamaterials Bend Light to new Levels». Chemical & Engineering News 86 (33).
  11. J. Valentine et al. (2008). «Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index». Nature 455 (7211): 376–9. DOI:10.1038/nature07247. PMID 18690249.
  12. J. Yao et al. (2008). «Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires». Science 321 (5891). DOI:10.1126/science.1157566. PMID 18703734.
  13. Metamaterials found to work for visible light. Архивировано из первоисточника 15 февраля 2012.
  14. Слюсар, Вадим. Человек-невидимка? Проще простого!. Конструктор. – 2002. - № 11. C.9 (2002).
  15. http://www.cmth.ph.ic.ac.uk/photonics/Newphotonics/pdf/sciam-pendry-4a.pdf
  16. Слюсар, Вадим. Метаматериалы в конструкциях антенн. //Электроника: наука, технология, бизнес. – 2009. - №. 8.. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2009 - № 8. C. 66–70 (2009).
  17. Слюсар, Вадим. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги. //Электроника: наука, технология, бизнес. – 2006. - № 7. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2006 - № 7. C. 10–19 (2006).

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]