Метаматериалы. Виды и устройство

χ e {\displaystyle \chi _{e}} и магнитную χ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесённые 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 (показатель) преломления , который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей .

Основы эффекта

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

k 2 − (ω / c) 2 n 2 = 0 , {\displaystyle k^{2}-(\omega /c)^{2}n^{2}=0,} (1)

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

«Правые» и «Левые» изотропные среды

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

[ k → E → ] = (ω / c) μ H → , {\displaystyle \left[{\vec {k}}{\vec {E}}\right]=(\omega /c)\mu {\vec {H}},} [ k → H → ] = − (ω / c) ϵ E → . {\displaystyle \left[{\vec {k}}{\vec {H}}\right]=-(\omega /c)\epsilon {\vec {E}}.}

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых ϵ {\displaystyle \epsilon } , μ {\displaystyle \mu } - одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический E → {\displaystyle {\vec {E}}} , магнитный H → {\displaystyle {\vec {H}}} и волновой вектора k → {\displaystyle {\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.

Перенос энергии правой и левой волнами

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

Дисперсия левой среды

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

Примеры распространения волны в левой среде

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 в CE&N . Для создания суперлинзы используются чередующиеся нанесённые 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 года было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780 нм был равен −0,6 .

Метаповерхности

Двумерный аналог метаматериалов - метаповерхности. Метаповерхности особенно хорошо подходят для управления светом, поскольку потери в них, как правило, меньше, чем в объёмных метаматериалах, а изготовление - проще .

Применение

Было объявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области, способном скрыть трёхмерный объект. Материал состоит из золотой подложки, золотых наноантен и фторида магния . Использование метаматериалов в создании маскировочной умной одежды для военных более перспективно, чем альтернативные подходы .

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 .

Значительно растет интерес к использованию метаматериалов в радиотехнических приложениях и, в частности, в антенной технике. Основные области их применения : 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 ; 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

Первые работы в этом направлении относятся ещё к XIX веку. В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провёл первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривлённой 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 . В 1946–1948 гг. 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 . Детальное описание истории вопроса можно найти в работе В. М. Аграновича и Ю. Н. Гартштейна , а также в публикациях Вадима Слюсаря . 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» в 1967 году . 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 и в статьях Пафомова .

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.

Примечания

Engheta, Nader (англ.) русск. ; Ziolkowski, Richard W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations . - John Wiley & Sons & , 2006. - P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. - 440 p. - ISBN 978-0-471-76102-0 .
David R. Smith (англ.) русск. . Metamaterials (англ.) . Meta Group . Duke University . Дата обращения 22 августа 2015.
Слюсар, Вадим. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2009. - № 7 . - С. 70-79 .
Слюсар, Вадим. Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты // Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу «Электроника: Наука, Технология, Бизнес»). - 2010. - № 3-4 . - С. 44-60 .
ПостНаука Ильдар Габитов 29 марта 2017 г Метаматериалы
Орлов А. А., Янковская Е. А., Белов П. А., Жуковский С. В. Извлечение материальных параметров плазмонного мультислоя из коэффициентов отражения и прохождения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. -

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.

МОСКВА, 26 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Порой достижения современных технологий можно принять за волшебство. Только вместо магии работает точная наука. Одними из областей исследований, результаты которыхмогли бы вполне послужить иллюстрацией свойств "сказочных атрибутов", являются разработка и создание метаматериалов.

Математики нашли способ превратить метаматериал в "световой компьютер" Математики выяснили, что свойства метаматериалов можно в теории изменить так, что набор из нескольких разных кусочков таких соединений сможет производить сложные математические операции с одиночными лучами света.

С чисто физической точки зрения метаматериалы представляютсобой искусственно сформированные и особым образом выстроенныеструктуры, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами.Последние определяются даже нехарактеристиками составляющих их веществ, а именно структурой.Ведь из одинаковых материалов можно построить похожие внешне дома, но один будет обладать отличной звукоизоляцией, а в другом вы будете слышать даже дыхание соседа из квартиры напротив. В чем же секрет? Только в умении строителя распоряжаться предоставленными средствами.

На данный момент материаловеды уже создали немало структур, свойства которых не встречаются в природе, хотя и не выходят за рамки физических законов. Например, один из созданных метаматериалов может управлять звуковыми волнами так ювелирно, что те удерживают в воздухе небольшой шарик. Он состоит из двух решеток, собранных при помощи кирпичиков, заполненных термопластовыми стержнями, которые уложены "змейкой". Звуковая волна фокусируется словно свет в линзе, и исследователи считают, что данное устройство позволит им развить управление звуком до возможности изменять его направление, как сейчас меняют ход светового луча при помощи оптики.

Другой метаматериал может перестраивать сам себя. Объект из него собирается без помощи рук, ведь изменение формы можно запрограммировать! Структура такого "умного" материала состоит из кубов, каждую стенку которых составляют два внешних слоя из полиэтилентерефталата и один внутренний из двусторонней клейкой ленты. Эта конструкция позволяет изменить форму, объем и даже жесткость объекта.

Но самыми удивительными свойствами обладают оптические метаматериалы, которые могут менять визуальное восприятие реальности. Они "работают" в диапазоне волн, которые видит человеческий глаз. Именно из таких материалов ученые создали ткань, из которой можно изготовить плащ-невидимку.

Правда, пока невидимым в оптическом диапазоне можно сделать только микрообъект.

Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказалеще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углупреломления , лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего "чудесный" плащ.

Последнее достижение в создании оптических метаматериалов принадлежит российским ученым из НИТУ "МИСиС". Причем "ингредиенты" использовались самые обычные — воздух, стекло и вода. Работа ученых удостоилась публикации в одном из самых высокорейтинговых журналов мира Scientific Reports издательского дома Nature . , каждый такой образец может стоить тысячи евро, — подчеркнул научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС", кандидат технических наук Алексей Башарин.— К тому же вероятность ошибки при формовании такой системы очень высока даже с применением самых высокоточных инструментов.Однако если создать более крупномасштабный материал, в котором будут не оптические (400-700 нм), а радиоволны(длиной в 7-8 см), физика процесса от такого масштабирования не изменится, зато технология их создания станет проще."

Изучая свойства созданных структур, авторы работы показали, что у такого типа веществ есть сразу несколько практических применений.Прежде всего это сенсоры сложных молекул, так как последние, попадая в поле метаматериала, начинают светиться. Таким способом можно определять даже единичные молекулы, что потенциально может существенно отразиться на развитии, например, судебной криминалистики. Кроме того, такой метаматериал можно использовать как светофильтр, выделяя из падающего излучения свет определенной длины.Еще он применим как основа для создания сверхнадежной магнитной памяти, потому что структура ячеек метаматериала не дает им перемагничивать друг друга и тем самым терять информацию.

Виктор Георгиевич Веселаго

Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления:

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.

Волновое уравнение

Из уравнений Максвелла для однородной нейтральной непроводящей среды следует, что в электромагнитных полях возможно распространение электромагнитных волн с фазовой скоростью

В вакууме эта скорость равна скорости распространения света

Таким образом фазовая скорость распространения э-м. волн в веществе определяется магнитной и диэлектрической проницаемостью сред.

Отношение скорости света в вакууме к|до| скорости света в среде - n называют абсолютным показателем преломления среды

Виктор Веселаго выдвинул такую гипотезу:

«Если не учитывать потерь и считать n, ε и μ действительными числами, то видно, что одновременная смена знаков ε и μ никак не отражается на соотношении. Такое положение может быть объяснено различными способами. Во-первых, можно признать, что свойства веществ действительно не зависят от одновременной смены знаков ε и μ. Во-вторых, может оказаться, что одновременная отрицательность ε и μ противоречит каким-либо основным законам природы, и поэтому вещества с ε < 0 и μ < 0 не могут существовать. Наконец, следует признать, что вещества с отрицательными ε и μ обладают какими-то свойствами, отличными от свойств веществ с положительными ε и μ. Как мы увидим в дальнейшем, осуществляется именно этот третий случай.»

«Правые» и «Левые» изотропные среды

Пусть в однородной нейтральной непроводящей среде в направлении оси х распространяется плоская электромагнитная волна, волновой фронт которой перпендикулярен направлению распространения.

Векторы и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, в фиксированной точке пространства меняются с течением времени по гармоническому закону в одной фазе.

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.

Действительно, если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля.

Таким образом в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с отрицательными ε и μ показатель преломления n должен быть меньше 0.

Экспериментальное подтверждение .

Электроны в материале движутся вперед и назад под действием электрического поля и по кругу под действием магнитного. Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ. Первая показывает степень реакции электронов на электрическое поле, вторая — степень реакции на магнитное. У подавляющего большинства материалов ε и μ больше нуля.

Отрицательные ε или μ получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно.

Где и как такие вещества искать?

Первое экспериментальное подтверждение возможности создания материала с отрицательным показателем преломления было получено в 2000 г. в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD). Поскольку элементарные кирпичики метаматериала должны быть значительно меньше длины волны, исследователи работали с излучением сантиметрового диапазона и использовали элементы размером в несколько миллиметров.

Ключ к такого рода отрицательной реакции — резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи. Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной ε, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной μ. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.

Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную ε, а кольца с разрезами — отрицательную μ. В результате должен был получиться отрицательный показатель преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала.

Следствия.

Преломление на границе раздела двух сред с различной правизной.

Суперлинза.

Простая плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0

В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету так как 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. Возможно преодоление дифракционного предела при создании таких оптических систем, повышение с их помощью разрешающей способности микроскопов, создание микросхем наномасштаба, повышение плотности записи на оптические носители информации.

Отрицательное давление

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 поглощающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Новости

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

В 2011 году вышли статьи- в США апробирована технология, которая позволяет в массовом порядке производить большие листы метаматериалов

Метаматериалы методом печати

Вывод

Изучение и создание новых метаматериалов с уникальными свойствами позволит в ближайшем будущем значительно продвинуться вперёд человечеству во многих областях науки и техники. Это и астрономические исследования благодаря суперлинзам, преодолевающим дифракционный предел разрешения; альтернативные источники энергии - появятся новые солнечные батареи с КПД более 20%; материалы - невидимки и т.д. Количество направлений в исследованиях огромно и самое главное, они успешны.

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.

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.