χ e (\displaystyle \chi _(e))и магнитна χ чувствителност на изходния материал. В много грубо приближение такива импланти могат да се разглеждат като атоми с изключително големи размери, изкуствено въведени в изходния материал. Разработчикът на метаматериали, когато ги синтезира, има възможност да избира (варира) различни свободни параметри (размери на структури, форма, постоянен и променлив период между тях и др.).

Имоти

Преминаване на светлина през метаматериал с "ляв" индекс на пречупване.

Едно от възможните свойства на метаматериалите е отрицателен (или ляв) индекс на пречупване, който се появява, когато диелектричната проницаемост и магнитната проницаемост са едновременно отрицателни.

Основи на ефекта

Уравнението за разпространение на електромагнитни вълни в изотропна среда има формата:

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

Където k (\displaystyle k)- вълнов вектор, ω (\displaystyle \omega )- честота на вълната, c (\displaystyle c)- скоростта на светлината, n 2 = ϵ μ (\displaystyle n^(2)=\epsilon \mu )- квадрат на индекса на пречупване. От тези уравнения е очевидно, че едновременната промяна на знаците на диелектрика и магнита μ (\displaystyle \mu )пропускливостта на средата няма да повлияе по никакъв начин на тези взаимоотношения.

„Дясната“ и „лявата“ изотропна среда

Уравнение (1) е получено въз основа на теорията на Максуел. За медии с диелектрик ϵ (\displaystyle \epsilon )и магнитни μ (\displaystyle \mu )възприемчивостта на средата е едновременно положителна, три вектора на електромагнитното поле - електрическо и магнитно и вълново образуват така наречената система. десни вектори:

[ 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)).)

Такива среди съответно се наричат ​​„десни“.

Среди, които ϵ (\displaystyle \epsilon ), μ (\displaystyle \mu )- в същото време отрицателно, наречено „ляво“. В такива медии електрически E → (\displaystyle (\vec (E))), магнитен H → (\displaystyle (\vec (H)))и вълнов вектор k → (\displaystyle (\vec (k)))образуват система от леви вектори.

В англоезичната литература описаните материали могат да бъдат наречени десни и леви материали или съответно съкратено RHM (дясно) и LHM (ляво).

Пренос на енергия чрез десни и леви вълни

Потокът от енергия, носен от вълната, се определя от вектора на Пойнтинг, който е равен на S → = (c / 4 π) [ E → H → ] (\displaystyle (\vec (S))=(c/4\pi)\left[(\vec (E))(\vec (H)) \вдясно]). вектор S → (\displaystyle (\vec (S)))винаги образува с вектори E → (\displaystyle (\vec (E))), H → (\displaystyle (\vec (H)))вдясно три. По този начин, за десни вещества S → (\displaystyle (\vec (S)))И k → (\displaystyle (\vec (k)))насочени в една посока, а за лявата - в различни посоки. Тъй като вектор k → (\displaystyle (\vec (k)))съвпада по посока с фазовата скорост, ясно е, че левовъртите вещества са вещества с т. нар. отрицателна фазова скорост. С други думи, в левите вещества фазовата скорост е противоположна на енергийния поток. При такива вещества например се наблюдава обратен ефект на Доплер и обратни вълни.

Ляво средно разсейване

Наличието на отрицателен показател на дадена среда е възможно, ако тя има честотна дисперсия. Ако в същото време ϵ < 0 {\displaystyle \epsilon <0} , μ < 0 {\displaystyle \mu <0} , тогава вълновата енергия W = ϵ E 2 + μ H 2 (\displaystyle W=\epsilon E^(2)+\mu H^(2))ще бъде отрицателен (!). Единственият начин да се избегне това противоречие е, ако средата има честотна дисперсия ∂ ϵ / ∂ ω (\displaystyle \partial \epsilon /\partial \omega )И ∂ μ / ∂ ω (\displaystyle \partial \mu /\partial \omega ).

Примери за разпространение на вълни в ляво движеща се среда

Първата експериментално демонстрирана суперлеща с отрицателен индекс имаше разделителна способност три пъти по-добра от границата на дифракция. Експериментът е проведен на микровълнова честота. Суперлещата е внедрена в оптичния диапазон през 2005 г. Това беше леща, която не използваше отрицателно пречупване, но използваше тънък слой сребро за усилване на мимолетните вълни. Последните постижения в технологията за суперлещи са прегледани в CE&N. За да се създаде суперлеща, се използват редуващи се слоеве от сребро и магнезиев флуорид, нанесени върху субстрат, върху който след това се изрязва нанорешетка. Резултатът беше триизмерна композитна структура с отрицателен индекс на пречупване в близката инфрачервена област. Във втория случай метаматериалът е създаден с помощта на нанопроводници, които са отгледани електрохимично върху пореста повърхност на алуминиев оксид. В началото на 2007 г. беше обявено създаването на метаматериал с отрицателен показател на пречупване във видимата област. Материалът има индекс на пречупване при дължина на вълната от 780 nm от -0,6. Метаповърхности Двуизмерен аналог на метаматериалите са метаповърхностите. Метаповърхностите са особено подходящи за контролиране на светлината, тъй като те са склонни да имат по-ниски загуби от насипните метаматериали и са по-лесни за производство. Приложение Беше обявено създаването на метаматериал с отрицателен индекс на пречупване във видимата област, способен да скрие триизмерен обект. Материалът се състои от златен субстрат, златни наноантени и магнезиев флуорид. Използването на метаматериали при създаването на камуфлажно умно облекло за военните е по-обещаващо от алтернативните подходи. Поради факта, че метаматериалите имат отрицателен индекс на пречупване, те са идеални за маскиране на обекти, тъй като не могат да бъдат открити от радиоразузнаване. Съществуващите метаматериали обаче имат само отрицателен индекс на пречупване до първо приближение, което води до значителни вторични повторни емисии. Интересът към използването на метаматериали в радиотехническите приложения и по-специално в антенната технология нараства значително. Основните области на тяхното приложение: производство на субстрати и излъчватели в печатни антени за постигане на широколентов достъп и намаляване на размера на антенните елементи; компенсация за реактивността на електрически малки антени в широка честотна лента, включително тези, надвишаващи основната граница Chu; постигане на тясна пространствена ориентация на елементарни излъчватели, потопени в метасредата; производство на антени за повърхностни вълни; намаляване на взаимното влияние между елементи на антенни решетки, включително в MIMO устройства; координация на рупорни и други видове антени. История Първите работи в тази посока датират от 19 век. През 1898 г. Джагадис Чандра Бозе провежда първия микровълнов експеримент за изследване на поляризационните свойства на извитите структури, които създава. През 1914 г. Линдман работи върху изкуствена среда, която се състои от много произволно ориентирани малки жици, усукани в спирала и вградени в среда, която ги фиксира. През 1946–1948г Winston E. Cocke беше първият, който създаде микровълнови лещи, използвайки проводящи сфери, дискове и периодично подредени метални ленти, които по същество образуваха изкуствена среда със специфичен ефективен индекс на пречупване. Подробно описание на историята на въпроса може да се намери в работата на В. М. Агранович и Ю. Н. Гартщайн, както и в публикациите на Вадим Слюсар. В повечето случаи историята на издаването на материали с отрицателен коефициент на пречупване започва със споменаване на работата на съветския физик Виктор Веселаго, публикувана в списанието Uspekhi Fizicheskikh Nauk през 1967 г. Статията обсъди възможността за материал с отрицателен индекс на пречупване, който беше наречен "ляв". Авторът стига до извода, че с такъв материал почти всички известни оптични явления на разпространение на вълните се променят значително, въпреки че по това време материали с отрицателен индекс на пречупване все още не са били известни. Тук обаче трябва да се отбележи, че в действителност подобни „левичари“ среди са били обсъждани много по-рано в работата на Сивухин и в статиите на Пафомов. През последните години се провеждат интензивни изследвания на явленията, свързани с отрицателния индекс на пречупване. Причината за засилването на тези изследвания е появата на нов клас изкуствено модифицирани материали със специална структура, наречени метаматериали. Електромагнитните свойства на метаматериалите се определят от елементите на вътрешната им структура, разположени по зададен модел на микроскопично ниво. Следователно свойствата на тези материали могат да бъдат променени, така че да имат по-широк диапазон от електромагнитни характеристики, включително отрицателен индекс на пречупване. Бележки Енгета, Надер (Английски)Руски; Зиолковски, Ричард У.Метаматериали: Физически и инженерни изследвания. - John Wiley & Sons &, 2006. - P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. - 440 стр. - ISBN 978-0-471-76102-0. Дейвид Р. Смит (Английски)Руски. Метаматериали(Английски) . Мета група. Университет Дюк. Посетен на 22 август 2015. Слюсар, Вадим.Метаматериали в антенната технология: история и основни принципи // Електроника: наука, технологии, бизнес. - 2009. - № 7. - стр. 70-79. Слюсар, Вадим.Метаматериали в антенната технология: основни принципи и резултати // First Mile. Последна миля (притурка към сп. „Електроника: наука, технологии, бизнес“). - 2010. - № 3-4. - С. 44-60. PostScience Илдар Габитов 29 март 2017 г. Метаматериали Орлов А. А., Янковская Е. А., Белов П. А., Жуковски С. В.Извличане на материалните параметри на плазмонния многослой от коефициентите на отражение и предаване // Научно-технически бюлетин за информационни технологии, механика и оптика. -

Метаматериалите са специални композитни материали, които се получават чрез изкуствена модификация на въведените в тях елементи. Структурата се променя в наномащаба, което прави възможно промяната на размерите, формите и периодите на решетка на атома, както и други параметри на материала. Благодарение на изкуствената трансформация на структурата, модифицираният обект придобива напълно нови свойства, които материалите от естествен произход нямат.

Благодарение на горната трансформация се променят магнитната, диелектричната проницаемост, както и други физически показатели на избрания обект. В резултат на това трансформираните материали придобиват уникални оптични, радиофизични, електрически и други свойства, които откриват широки перспективи за развитие на научния прогрес. Работата в тази посока може да доведе до появата на напълно нови устройства и изобретения, които ще удивят въображението. Това са наметала невидимки, супер лещи и много други.

Видове

Метаматериалите обикновено се класифицират според тяхната степен на пречупване:

• Едномерен. При тях степента на пречупване постоянно се променя само в една посока в пространството. Такива материали са направени от слоеве от елементи, разположени успоредно и имащи различна степен на пречупване. Те са в състояние да демонстрират уникални свойства само в една посока на пространството, която е перпендикулярна на посочените слоеве.
• 2D. При тях степента на пречупване постоянно се мени само в 2 посоки на пространството. Такива материали в повечето случаи са направени от правоъгълни структури с пречупване m1 и разположени в среда с пречупване m2. В същото време елементи с пречупване m1 са разположени в двумерна решетка с кубична основа. В резултат на това такива материали могат да демонстрират свойствата си в 2 посоки на пространството. Но двуизмерността на материалите не се ограничава само до правоъгълник; тя може да бъде създадена с помощта на кръг, елипса или друга произволна форма.
• 3D. При тях степента на пречупване постоянно се мени в 3 посоки на пространството. Такива материали могат да бъдат условно представени като масив от области в обемен смисъл (елипса, куб и т.н.), разположени в триизмерна решетка.

Метаматериалите също се разделят на:

• Проводници. Те преместват квазичастиците на значителни разстояния, но с малки загуби.
• Диелектрици . Огледалата са в почти перфектно състояние.
• полупроводници . Това са елементи, които могат например да отразяват квазичастици само с определена дължина на вълната.
• Свръхпроводници . В тези материали квазичастиците могат да пътуват на почти неограничени разстояния.

Освен това има материали:

• Нерезонансен.
• Резонансен.

Разликата между резонансните материали и нерезонансните елементи е, че те имат диелектрична константа само при определена резонансна честота.

Метаматериалите могат да бъдат създадени с различни електрически свойства. Следователно те се разделят според тяхната относителна пропускливост:

• DNG, тоест двойно отрицателни - пропускливостта е отрицателна.
• ДПС, тоест двойно положителен - пропускливостта е положителна.
• Здравей-Z, тоест повърхности с висок импеданс.
• SNG, тоест единичен негатив - материали от смесен тип.
• ДЗР, тоест двойна нула – материалът има пропускливост, равна на нула.

устройство

Метаматериалите са вещества, чиито свойства се осигуряват от микроскопична структура, въведена от хората. Те се синтезират чрез включване на периодични структури с различни геометрични форми в даден елемент от естествен произход, модифицирайки магнитната и диелектрична чувствителност на оригиналната структура.

Обикновено такива включвания могат да се считат за изкуствени атоми, които са доста големи по размер. По време на синтеза създателят на материала има възможност да му даде различни параметри, които се основават на формата и размера на структурите, променливостта на периода и други подобни. Благодарение на това е възможно да се получат материали с невероятни свойства.

Едни от най-известните такива елементи са фотонните кристали. Тяхната особеност се проявява чрез периодична промяна на степента на пречупване в пространството в една, две и три посоки. Благодарение на тези параметри материалът може да има зони, които могат или не могат да получат фотонна енергия.

В резултат на това, ако фотон с определена енергия (с необходимата честота и дължина на вълната), която не съответства на зоната на посочения кристал, се освободи върху определеното вещество, тогава той се отразява в обратна посока. Ако фотон с параметри, които съответстват на параметрите на разрешената зона, удари кристала, тогава той се движи по него. По друг начин кристалът действа като оптичен филтърен елемент. Ето защо тези кристали имат невероятно богати и ярки цветове.

Принцип на работа

Основната характеристика на изкуствено образуваните материали е периодичността на тяхната структура. Може да бъде 1D, 2Dили 3Dструктура. Всъщност те могат да имат много различни структури. Например, те могат да бъдат подредени като диелектрични елементи, между които ще има отворени телени пръстени. В този случай пръстените могат да се деформират от кръгли до квадратни.

За да се гарантира, че електрическите свойства се поддържат при всяка честота, пръстените са структурирани затворени. В допълнение, пръстените в дадено вещество често са подредени произволно. Осъзнаването на уникалните параметри на ново вещество става при резонанс на неговата честота, както и ефективната честота на електромагнитна вълна отвън.

Приложение

Метаматериалите са и ще продължат да бъдат широко използвани във всички области, където се използва електромагнитно излъчване. Това са медицина, наука, индустрия, космическо оборудване и много други. Днес се създават огромно количество електромагнитни материали, които вече се използват.

• В радиофизиката и астрономията се използват специални покрития, които се използват отлично за защита на телескопи или сензори, които използват дълговълново лъчение.
• В оптиката дифракционното пречупване също намира широко приложение. Например, вече е създадена суперлеща, която ни позволява да решим проблема с дифракционната граница на разделителната способност на стандартната оптика. В резултат на това първият експериментален образец на лещата демонстрира феноменална производителност; разделителната му способност беше 3 пъти по-висока от съществуващата граница на дифракция.

• В микроелектрониката метаматериалите могат да предизвикат истинска революция, която може да промени живота на почти всеки човек на Земята. Това може да доведе до появата на порядъци по-малки и невероятно ефективни устройства и антени за мобилни телефони. Благодарение на новите материали ще бъде възможно да се разшири плътността на съхранение на данни, което означава, че ще се появят дискове и много други електронни устройства, които ще могат да имат значително количество памет;
• Създаване на невероятно мощни лазери. Благодарение на използването на материали с модифицирана структура вече се появяват мощни лазери, които с по-малко изразходвана енергия произвеждат порядък мощен и разрушителен светлинен импулс. В резултат на това може да се появят лазерни оръжия, които ще позволят да се свалят балистични ракети, намиращи се на разстояние десетки километри.

Индустриалните лазери ще могат ефективно да режат не само метални материали с дебелина няколко десетки милиметра, но и такива, които са с порядък по-големи.

Благодарение на новите лазерни системи ще се появят нови индустриални 3D принтери, които ще могат да отпечатват метални изделия бързо и с високо качество. По отношение на тяхното качество те практически няма да отстъпват на продуктите, произведени с помощта на типични методи за металообработка. Например, това може да бъде зъбно колело или друга сложна част, чието производство при нормални условия би изисквало много време и усилия.

• Създаване на нови антирефлексни материали. Благодарение на тяхното създаване и използване ще бъде възможно да се създават изтребители, бомбардировачи, кораби, подводници, танкове, роботизирани системи, мобилни инсталации като Ярс и Сармат, които няма да бъдат видими за вражеските сензори и радари. Подобни технологии вече могат да се използват в изтребители от шесто и седмо поколение.

Вече днес е възможно да се осигури „невидимост“ за оборудване в терагерцовия честотен диапазон. В бъдеще ще бъде възможно да се създаде технология, която ще бъде невидима в целия честотен диапазон, включително „видима“ за човешкото око. Едно такова решение е мантията невидимка. В момента мантията невидимка вече може да скрие малки предмети, но има някои недостатъци.

• Способност да се вижда през стените. Използването на нови изкуствени материали ще направи възможно създаването на устройства, които ще ви позволят да виждате през стените. Вече днес се създават устройства, които проявяват силен магнитен отговор на радиация в терахерцовия диапазон.
• Създаване на блъф стена или несъществуващи „копия“ на военно оборудване. Метаматериалите ви позволяват да създадете илюзията за присъствието на обект на място, където той не съществува. Например подобни технологии вече се използват от руската армия за създаване на много несъществуващи ракети, които „летят“ до истинската, за да заблудят системата за противоракетна отбрана на противника.

МОСКВА,26 септември - РИА Новости, Олга Коленцова.Понякога постиженията на съвременните технологии могат да бъдат сбъркани с магия. Само че вместо магия работи точната наука. Една от областите на изследване, чиито резултати могат да послужат като илюстрация на свойствата на „приказните атрибути“, е разработването и създаването на метаматериали.

Математиците откриха начин да превърнат метаматериала в „лек компютър“Математиците са открили, че свойствата на метаматериалите могат на теория да бъдат променени, така че колекция от няколко различни части от такива съединения да може да извършва сложни математически операции върху единични лъчи светлина.

От чисто физична гледна точка метаматериалите са изкуствено формирани и специално конструирани структури, които притежават непостижими в природата електромагнитни или оптични свойства.Последните се определят дори не от характеристиките на съставните им вещества, а именно от структурата.В крайна сметка къщите, които са подобни на външен вид могат да бъдат построени от едни и същи материали, но един ще има различна звукоизолация, а в друг дори ще чуете дишането на съседа си от апартамента отсреща. каква е тайната Само в способността на строителя да управлява предоставените средства.

В момента учените по материали вече са създали много структури, чиито свойства не се срещат в природата, въпреки че не излизат извън границите на физическите закони. Например, един от създадените метаматериали може да контролира звуковите вълни толкова брилянтно, че те държат малка топка във въздуха. Състои се от две решетки, сглобени с помощта на тухли, пълни с термопластични пръти, които са положени в модел „змия“. Звуковата вълна се фокусира като светлина в леща и изследователите вярват, че това устройство ще им позволи да развият контрола на звука до способността да променят посоката му, както сега променят пътя на светлинния лъч с помощта на оптика.

© Илюстрация на РИА Новости. А. Полянина

© Илюстрация на РИА Новости. А. Полянина

Друг метаматериал може да се пренареди. Предметът се сглобява от него без помощта на ръце, защото промяната на формата може да се програмира! Структурата на такъв „умен“ материал се състои от кубчета, всяка стена на които е изградена от два външни слоя полиетилен терефталат и един вътрешен слой от двустранна самозалепваща лента. Този дизайн ви позволява да промените формата, обема и дори твърдостта на обекта.

Но най-удивителните свойства са тези на оптичните метаматериали, които могат да променят визуалното възприятие на реалността. Те „работят“ в диапазона на дължината на вълната, който човешкото око може да види. Именно от такива материали учените са създали плат, от който може да се направи наметало невидимка.

Вярно, засега само микрообект може да бъде направен невидим в оптичния диапазон.

Възможността за създаване на материал с отрицателен ъгъл на пречупване е предсказана още през 1967 г. от съветския физик Виктор Веселаго, но едва сега се появяват първите примери за реални структури с такива свойства. Поради отрицателния ъгъл на пречупване, светлинните лъчи се огъват около обект, правейки го невидим. Така наблюдателят забелязва само това, което се случва зад гърба на човека, носещ „чудното” наметало.

© Снимка: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley

© Снимка: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley

Последното постижение в създаването на оптични метаматериали принадлежи на руски учени от НИТУ "МИСИС". Освен това са използвани най-често срещаните „съставки“ - въздух, стъкло и вода. Работата на учените е публикувана в едно от най-високо оценените списания в света Scientific Reports. издателствоПриродата. „всяка такава проба може да струва хиляди евро“, подчертава Алексей Башарин, изследовател в лабораторията за свръхпроводящи метаматериали на НИТУ „МИСИС“, кандидат на техническите науки. — В допълнение, вероятността от грешка при формирането на такава система е много висока дори при използването на най-високо прецизни инструменти.Въпреки това, ако създадете по-мащабен материал, който съдържа не оптични (400-700 nm), а радио вълни (7-8 см дължина), физиката на процеса. Това мащабиране няма да се промени, но технологията за създаването им ще стане по-проста."

Изследвайки свойствата на създадените структури, авторите на работата показаха, че този тип вещество има няколко практически приложения.На първо място, това са сензори на сложни молекули, тъй като последните, когато навлязат в полето на метаматериала, започват да светят. По този начин могат да се определят дори единични молекули, което потенциално може да окаже значително влияние върху развитието например на съдебната медицина. В допълнение, такъв метаматериал може да се използва като светлинен филтър, изолиращ светлина с определена дължина от падащото лъчение.Той е приложим и като основа за създаване на свръхнадеждна магнитна памет, тъй като структурата на клетките на метаматериала ги предпазва от обръщайки намагнитването един към друг и по този начин губейки информация.

Виктор Георгиевич Веселаго

Преди почти 40 години съветският учен Виктор Веселаго изказа хипотеза за съществуването на материали с отрицателен индекс на пречупване:

Метаматериалите са композитни материали, чиито свойства се определят не толкова от индивидуалните физични свойства на техните компоненти, колкото от тяхната микроструктура. Терминът "метаматериали" се използва особено често по отношение на онези композити, които проявяват свойства, които не са характерни за обекти, открити в природата. .

Вълново уравнение

От уравненията на Максуел за хомогенна неутрална непроводима среда следва, че електромагнитните вълни могат да се разпространяват в електромагнитни полета с фазова скорост

Във вакуум тази скорост е равна на скоростта на светлината

Така че фазовата скорост на разпространение um. вълните в дадено вещество се определя от магнитната и диелектричната константа на средата.

Съотношението на скоростта на светлината във вакуум към|до| скоростта на светлината в средата - ннаречен абсолютен показател на пречупване на средата

Виктор Веселаго изложи следната хипотеза:

„Ако не вземем предвид загубите и считаме n, ε и μ за реални числа, тогава е ясно, че едновременната промяна на знаците на ε и μ не влияе по никакъв начин на съотношението. Тази ситуация може да се обясни по различни начини. Първо, можем да признаем, че свойствата на веществата наистина не зависят от едновременната промяна на знаците на ε и μ. Второ, може да се окаже, че едновременната отрицателност на ε и μ противоречи на всички основни закони на природата и следователно на веществата 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.»

„Дясната“ и „лявата“ изотропна среда

Нека плоска електромагнитна вълна се разпространява в хомогенна неутрална непроводима среда по посока на оста x, чийто фронт на вълната е перпендикулярен на посоката на разпространение.

Вектори и образуват дясна система с посоката на разпространение на вълната; във фиксирана точка в пространството те се променят във времето според хармоничен закон в една фаза.

Такива среди съответно се наричат ​​„десни“.

Среди, в които ε и μ са отрицателни, се наричат ​​„левичари“.

В такива среди електрическите, магнитните и вълновите вектори образуват система от леви вектори.

Наистина, ако натиснете махало с ръка, то послушно ще се движи в посоката на натискане и ще започне да трепти с така наречената резонансна честота. Като натискате махалото в такт с люлеенето, можете да увеличите амплитудата на трептенията. Ако го натиснете с по-висока честота, тогава ударите вече няма да съвпадат с трептенията във фаза и в един момент ръката ще бъде ударена от махало, движещо се към нея. По същия начин електроните в материал с отрицателен индекс на пречупване излизат от фаза и започват да се съпротивляват на „тласъците“ на електромагнитното поле.

Така през 1968 г. Веселаго показа, че вещество с отрицателни ε и μ трябва да има индекс на пречупване n по-малък от 0.

Експериментално потвърждение.

Електроните в даден материал се движат напред и назад под въздействието на електрическо поле и в кръг под въздействието на магнитно поле. Степента на взаимодействие се определя от две характеристики на веществото: диелектрична константа ε и магнитна проницаемост μ. Първият показва степента на реакция на електроните към електрическо поле, вторият - степента на реакция към магнитно поле. По-голямата част от материалите имат ε и μ по-големи от нула.

Отрицателни ε или μ възникват, когато електроните в даден материал се движат в посока, обратна на силите, създадени от електрически и магнитни полета. Въпреки че това поведение изглежда парадоксално, не е толкова трудно да накарате електроните да се движат срещу силите на електрическите и магнитните полета.

Къде и как да търсим такива вещества?

Първото експериментално потвърждение за възможността за създаване на материал с отрицателен индекс на пречупване е получено през 2000 г. в Калифорнийския университет в Сан Диего (UCSD). Тъй като основните градивни елементи на метаматериала трябва да са много по-малки от дължината на вълната, изследователите са работили с радиация с дължина на вълната от сантиметър и са използвали елементи с размери няколко милиметра.

Ключът към този вид негативна реакция е резонансът, тоест тенденцията да вибрира на определена честота. Създава се изкуствено в метаматериал с помощта на малки резонансни вериги, които симулират реакцията на вещество към магнитно или електрическо поле. Например, в резонатор със счупен пръстен (RRR), магнитен поток, преминаващ през метален пръстен, предизвиква кръгови токове в него, подобни на токовете, които причиняват магнетизма на някои материали. И в решетка от прави метални пръти електрическото поле създава токове, насочени по тях. Свободните електрони в такива вериги трептят с резонансна честота, в зависимост от формата и размера на проводника. Ако се приложи поле с честота под резонансната честота, ще се наблюдава нормален положителен отговор. Въпреки това, когато честотата се увеличава, отговорът става отрицателен, точно както в случая на махало, което се движи към вас, ако го натиснете с честота над резонансната. По този начин проводниците в определен честотен диапазон могат да реагират на електрическо поле като среда с отрицателно ε, а пръстените с разрези могат да симулират материал с отрицателно μ. Тези проводници и пръстени с разрези са елементарните блокове, необходими за създаването на широка гама от метаматериали, включително тези, които Веселаго търсеше.

Калифорнийски учени са проектирали метаматериал, състоящ се от редуващи се проводници и RKR, събрани под формата на призма. Проводниците осигуряват отрицателно ε, а пръстените с разрези осигуряват отрицателно μ. Резултатът трябваше да бъде отрицателен индекс на пречупване. За сравнение, от тефлон е направена призма с точно същата форма, за която n = 1,4. Изследователите насочват лъч микровълново лъчение към ръба на призмата и измерват интензитета на вълните, излизащи от нея под различни ъгли. Както се очакваше, лъчът беше положително пречупен от тефлоновата призма и отрицателно пречупен от метаматериалната призма.

Последствия.

Пречупване на границата между две среди с различни аспекти.

Суперлещи.

Проста плоскопаралелна метаматериална плоча с n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Плоскопаралелна плоча от метаматериал с n<0

В правилната среда пространството на изображението на лещата не е идентично със самия обект, тъй като се формира без мимолетни вълни. В лявата среда затихващите вълни не затихват, а напротив, амплитудата им се увеличава с отдалечаването на вълната от обекта, така че изображението се формира с участието на затихващи вълни, което може да позволи получаването на изображения с разделителна способност по-добре от границата на дифракция. Възможно е да се преодолее дифракционната граница при създаването на такива оптични системи, като се използват за увеличаване на разделителната способност на микроскопите, създаване на наномащабни микросхеми и увеличаване на плътността на запис върху оптични носители за съхранение.

Отрицателно налягане

Отражение на лъч, разпространяващ се в среда 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.

Новини

В началото на 2007 г. беше обявено създаването на метаматериал с отрицателен показател на пречупване във видимата област. Материалът има индекс на пречупване при дължина на вълната 780 nm, равен на -0,6

През 2011 г. бяха публикувани статии, които показват, че в САЩ е тествана технология, която позволява масово производство на големи листове метаматериали

Метаматериали чрез печат

Заключение

Изследването и създаването на нови метаматериали с уникални свойства ще позволи на човечеството да напредне значително в много области на науката и технологиите в близко бъдеще. Това включва астрономически изследвания благодарение на суперлещи, които преодоляват дифракционната граница на разделителна способност; алтернативни източници на енергия - ще се появят нови слънчеви панели с ефективност над 20%; материали - невидими и др. Броят на направленията в изследванията е огромен и най-важното - те са успешни.

И така, катедрали от свръхжизнени кристали
Съвестна паяжина,
Разплитане на ребрата, пак тях
Събира се в един пакет.
О. Манделщам

Детски проблем „Кое е по-тежко, килограм вата или килограм железни стърготини?“ само ще обърка бавния първокласник. Много по-интересно е да се спекулира по темата: „Какви свойства ще има материалът, който получаваме, ако внимателно смесим фино смляна памучна вата и железни стружки?“ Интуитивно е ясно: за да отговорите на този въпрос, трябва да запомните свойствата на желязото и памучната вата, след което можете уверено да кажете, че полученият материал най-вероятно ще реагира например на присъствието на магнит и вода. Дали обаче свойствата на един многофазен материал винаги се определят единствено от свойствата на компонентите, които го образуват? Бих искал да отговоря положително на този въпрос, защото е трудно да си представим, да речем, смес от диелектрици (например дървени стърготини и топки от пяна), която провежда електрически ток.

"Това се случва само в приказките!" - първокласникът ще се опита да се възстанови, спомняйки си многобройните магьосници и магьосници от детските приказки, които чрез смесване на всякакви видове мухоморки, жабешки бутчета и прилепни крила са получавали вълшебни прахове, чиито магически свойства, строго погледнато , не са характерни за мухоморките и жабешките бутчета. Въпреки това, изненадващо, съвременната наука знае примери за това как комбинацията от съвсем обикновени материали позволява да се създават обекти, чиито свойства не само не са присъщи на използваните компоненти, но по принцип не могат да бъдат намерени в природата и, както може да изглежда на пръв поглед са забранени от законите на физиката. „Това е чудо!“, ще каже първокласникът. „Не, това са метаматериали!“ - ще възрази един съвременен учен. И двамата ще бъдат прави по свой начин, защото от гледна точка на класическата наука метаматериалите са способни да създават истински чудеса. Процесът на създаване на метаматериал обаче също е подобен на магия, т.к Не е достатъчно просто да смесите компонентите на метаматериала; те трябва да бъдат правилно структурирани.

Метаматериалите са композитни материали, чиито свойства се определят не толкова от индивидуалните физични свойства на техните компоненти, колкото от тяхната микроструктура. Терминът „метаматериали“ особено често се прилага за тези композити, които показват свойства, които не са характерни за обекти, открити в природата.

Един от най-горещо обсъжданите видове метаматериали напоследък са обекти с отрицателен индекс на пречупване. От училищния курс по физика е добре известно, че индексът на пречупване на средата ( н) е величина, показваща колко пъти фазовата скорост на електромагнитното излъчване в средата ( V) по-малка от скоростта на светлината във вакуум ( ° С): n=c/V. Коефициентът на пречупване на вакуума е равен на 1 (което всъщност следва от определението), докато за повечето оптични среди е по-голям. Например обикновеното силикатно стъкло има коефициент на пречупване 1,5, което означава, че светлината се разпространява в него със скорост 1,5 пъти по-малка от тази във вакуум. Важно е да се отбележи, че в зависимост от дължината на вълната на електромагнитното излъчване, стойността нможе да варира.

Най-често индексът на пречупване на даден материал се помни, когато се разглежда ефектът от пречупването на светлината на границата между две оптични среди. Това явление се описва от закона на Снел:

n 1 sinα = n 2 sinβ,

където α е ъгълът на падане на светлината, идваща от среда с индекс на пречупване n 1, а β е ъгълът на пречупване на светлината в среда с индекс на пречупване n 2.

За всички среди, които могат да бъдат намерени в природата, лъчите на падаща и пречупена светлина са от противоположните страни на нормалното, възстановено на интерфейса между медиите в точката на пречупване (фиг. 1а). Въпреки това, ако официално заместим n 2 в закона на Снел<0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

Теоретичната възможност за съществуването на уникални материали с отрицателен показател на пречупване е посочена от съветския физик В. Веселаго преди почти 40 години. Факт е, че индексът на пречупване е свързан с две други фундаментални характеристики на материята, диелектричната константа ε и магнитната проницаемост μ, чрез проста връзка: n 2 = ε·μ. Въпреки факта, че това уравнение е изпълнено както от положителни, така и от отрицателни стойности на n, учените дълго време отказват да повярват във физическото значение на последното - докато Веселаго не показа, че n< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Естествените материали с отрицателна диелектрична проницаемост са добре известни - всеки метал с честоти над плазмената честота (при която металът става прозрачен). В този случай 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 .

По този начин са възможни системи с отрицателен отговор както на електрическите, така и на магнитните компоненти на електромагнитното излъчване. Американски изследователи под ръководството на Дейвид Смит бяха първите, които комбинираха двете системи в един материал през 2000 г. Създаденият метаматериал се състоеше от метални пръти, отговорни 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.

От гледна точка на физиката, метаматериалите с отрицателен индекс на пречупване са антиподите на конвенционалните материали. В случай на отрицателен индекс на пречупване, фазовата скорост на електромагнитното излъчване е обърната; изместването на Доплер се случва в обратна посока; Излъчването на Черенков от движеща се заредена частица възниква не напред, а назад; събирателните лещи стават разнопосочни и обратно... И всичко това е само малка част от онези удивителни явления, които са възможни за метаматериали с отрицателен коефициент на пречупване. Практическото използване на такива материали е свързано преди всичко с възможността за създаване на терагерцова оптика на тяхна основа, което от своя страна ще доведе до развитието на метеорологията и океанографията, появата на радари с нови свойства и всякакви метеорологични условия. навигационни инструменти, устройства за дистанционна диагностика на качеството на частите и системи за безопасност, които ви позволяват да откривате оръжия под дрехите, както и уникални медицински изделия.

Литература

Д.Р. Смит, У. Дж. Падила, окръг Колумбия Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Композитна среда с едновременно отрицателна пропускливост и диелектрична проницаемост, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.