χ e (\ Displaystyle \ chi _ (e)) en magnetische χ gevoeligheid van het uitgangsmateriaal. Bij een zeer ruwe benadering kunnen dergelijke implantaten worden beschouwd als atomen van extreem grote afmetingen die kunstmatig in het bronmateriaal worden geïntroduceerd. De ontwikkelaar van metamaterialen heeft bij het synthetiseren ervan de mogelijkheid om verschillende vrije parameters te selecteren (variëren) (grootten van structuren, vorm, constante en variabele perioden ertussen, enz.).

Eigenschappen

Doorgang van licht door een metamateriaal met een "linkshandige" brekingsindex.

Een van de mogelijke eigenschappen van metamaterialen is een negatieve (of linkshandige) brekingsindex, die verschijnt wanneer de permittiviteit en magnetische permeabiliteit tegelijkertijd negatief zijn.

Effectbasis

De vergelijking voor de voortplanting van elektromagnetische golven in een isotroop medium heeft de vorm:

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

Waar k (\ Displaystyle k)- golfvector, ω (\ displaystyle \ omega)- golffrequentie, c (\ Displaystyle c)- lichtsnelheid, n 2 = ϵ μ (\displaystyle n^(2)=\epsilon \mu )- kwadraat van de brekingsindex. Uit deze vergelijkingen blijkt duidelijk dat de gelijktijdige tekenverandering van het diëlektrische en magnetische karakter μ (\displaystyle \mu) de permeabiliteit van het medium zal deze relaties op geen enkele manier beïnvloeden.

“Rechts” en “Links” isotrope media

Vergelijking (1) is afgeleid op basis van de theorie van Maxwell. Voor media met diëlektricum ϵ (\ Displaystyle \ epsilon ) en magnetisch μ (\displaystyle \mu) de gevoeligheid van het medium is tegelijkertijd positief, drie vectoren van het elektromagnetische veld - elektrisch en magnetisch en golf vormen een zogenaamd systeem. juiste vectoren:

[ 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)).)

Dergelijke omgevingen worden daarom ‘rechts’ genoemd.

Omgevingen die ϵ (\ Displaystyle \ epsilon ), μ (\displaystyle \mu)- tegelijkertijd negatief, "links" genoemd. In dergelijke media, elektrisch E → (\displaystyle (\vec (E))), magnetisch H → (\displaystyle (\vec (H))) en golfvector k → (\displaystyle (\vec (k))) vormen een systeem van linkervectoren.

In de Engelstalige literatuur kunnen de beschreven materialen rechts- en linkshandige materialen worden genoemd, of worden afgekort als respectievelijk RHM (rechts) en LHM (links).

Overdracht van energie door rechter- en linkergolven

De energiestroom die door de golf wordt gedragen, wordt bepaald door de Poynting-vector, die gelijk is aan S → = (c / 4 π) [ E → H → ] (\displaystyle (\vec (S))=(c/4\pi)\left[(\vec (E))(\vec (H)) \rechts]). Vector S → (\displaystyle (\vec (S))) vormt altijd met vectoren E → (\displaystyle (\vec (E))), H → (\displaystyle (\vec (H))) rechts drie. Dus voor rechtshandige stoffen S → (\displaystyle (\vec (S))) En k → (\displaystyle (\vec (k))) gericht in één richting, en voor links - in verschillende richtingen. Sinds vector k → (\displaystyle (\vec (k))) richting samenvalt met de fasesnelheid, is het duidelijk dat de linkshandige stoffen stoffen zijn met de zogenaamde negatieve fasesnelheid. Met andere woorden: bij linkshandige stoffen is de fasesnelheid tegengesteld aan de energiestroom. Bij dergelijke stoffen worden bijvoorbeeld een omgekeerd Doppler-effect en achterwaartse golven waargenomen.

Linker medium spreiding

Het bestaan ​​van een negatieve indicator van een medium is mogelijk als het frequentiespreiding heeft. Als tegelijkertijd ϵ < 0 {\displaystyle \epsilon <0} , μ < 0 {\displaystyle \mu <0} , dan de golfenergie W = ϵ E 2 + μ H 2 (\displaystyle W=\epsilon E^(2)+\mu H^(2)) zal negatief zijn (!). De enige manier om deze tegenstrijdigheid te vermijden is als het medium frequentiespreiding heeft ∂ ϵ / ∂ ω (\ Displaystyle \ gedeeltelijke \ epsilon / \ gedeeltelijke \ omega ) En ∂ μ / ∂ ω (\ Displaystyle \ gedeeltelijke \ mu / \ gedeeltelijke \ omega ).

Voorbeelden van golfvoortplanting in een linkshandig medium

De eerste experimenteel aangetoonde superlens met een negatieve index had een resolutie die drie keer beter was dan de diffractielimiet. Het experiment werd uitgevoerd op microgolffrequenties. De superlens werd in 2005 in het optische assortiment geïmplementeerd. Het was een lens die geen negatieve breking gebruikte, maar een dunne laag zilver gebruikte om de verdwijnende golven te versterken. Recente ontwikkelingen op het gebied van superlenstechnologie worden besproken in CE&N. Om een ​​superlens te creëren, worden afwisselende lagen zilver en magnesiumfluoride op een substraat aangebracht, waarop vervolgens een nanoraster wordt gesneden. Het resultaat was een driedimensionale composietstructuur met een negatieve brekingsindex in het nabij-infraroodgebied. In het tweede geval werd het metamateriaal gemaakt met behulp van nanodraden die elektrochemisch op een poreus aluminiumoxide-oppervlak werden gegroeid. Begin 2007 werd de creatie aangekondigd van een metamateriaal met een negatieve brekingsindex in het zichtbare gebied. Het materiaal had een brekingsindex bij een golflengte van 780 nm van −0,6. Meta-oppervlakken Een tweedimensionaal analoog van metamaterialen zijn metasurfaces. Metasurfaces zijn bijzonder geschikt voor het regelen van licht, omdat ze doorgaans lagere verliezen hebben dan bulk-metamaterialen en gemakkelijker te vervaardigen zijn. Sollicitatie Er werd de creatie aangekondigd van een metamateriaal met een negatieve brekingsindex in het zichtbare gebied, dat een driedimensionaal object kan verbergen. Het materiaal bestaat uit een goudsubstraat, gouden nanoantennes en magnesiumfluoride. Het gebruik van metamaterialen bij het creëren van slimme camouflagekleding voor het leger is veelbelovender dan alternatieve benaderingen. Vanwege het feit dat metamaterialen een negatieve brekingsindex hebben, zijn ze ideaal voor het camoufleren van objecten, omdat ze niet kunnen worden gedetecteerd door radioverkenning. Bestaande metamaterialen hebben echter slechts een negatieve brekingsindex bij een eerste benadering, wat leidt tot aanzienlijke secundaire heremissies. De belangstelling voor het gebruik van metamaterialen in radiotechnische toepassingen en in het bijzonder in antennetechnologie groeit aanzienlijk. De belangrijkste toepassingsgebieden: de vervaardiging van substraten en emitters in gedrukte antennes om breedband te bereiken en de grootte van antenne-elementen te verkleinen; compensatie voor de reactiviteit van elektrisch kleine antennes in een brede frequentieband, inclusief antennes die de fundamentele Chu-limiet overschrijden; het bereiken van een smalle ruimtelijke oriëntatie van elementaire zenders ondergedompeld in het metamedium; productie van oppervlaktegolfantennes; het verminderen van de wederzijdse invloed tussen elementen van antenne-arrays, ook in MIMO-apparaten; coördinatie van hoorn en andere soorten antennes. Verhaal De eerste werken in deze richting dateren uit de 19e eeuw. In 1898 voerde Jagadis Chandra Bose het eerste microgolfexperiment uit om de polarisatie-eigenschappen van de gebogen structuren die hij creëerde te bestuderen. In 1914 werkte Lindmann aan kunstmatige media, die bestonden uit veel willekeurig georiënteerde kleine draden, in een spiraal gedraaid en ingebed in een medium dat ze vastzette. In 1946-1948 Winston E. Cocke was de eerste die microgolflenzen maakte met behulp van geleidende bollen, schijven en periodiek gerangschikte metalen strips, die in wezen een kunstmatig medium vormden met een specifieke effectieve brekingsindex. Een gedetailleerde beschrijving van de geschiedenis van de kwestie is te vinden in het werk van V. M. Agranovich en Yu. N. Gartstein, evenals in de publicaties van Vadim Slyusar. In de meeste gevallen begint de geschiedenis van de kwestie van materialen met een negatieve brekingsindex met een vermelding van het werk van de Sovjet-natuurkundige Viktor Veselago, gepubliceerd in het tijdschrift Uspekhi Fizicheskikh Nauk in 1967. Het artikel besprak de mogelijkheid van een materiaal met een negatieve brekingsindex, dat "linkshandig" werd genoemd. De auteur kwam tot de conclusie dat met een dergelijk materiaal vrijwel alle bekende optische verschijnselen van golfvoortplanting aanzienlijk veranderen, hoewel materialen met een negatieve brekingsindex destijds nog niet bekend waren. Hier moet echter worden opgemerkt dat dergelijke ‘linkshandige’ omgevingen in werkelijkheid al veel eerder werden besproken in het werk van Sivukhin en in de artikelen van Pafomov. De afgelopen jaren is er intensief onderzoek gedaan naar verschijnselen die verband houden met een negatieve brekingsindex. De reden voor de intensivering van deze onderzoeken was de opkomst van een nieuwe klasse kunstmatig gemodificeerde materialen met een speciale structuur, genaamd metamaterialen. De elektromagnetische eigenschappen van metamaterialen worden bepaald door de elementen van hun interne structuur, geplaatst volgens een bepaald patroon op microscopisch niveau. Daarom kunnen de eigenschappen van deze materialen worden gewijzigd, zodat ze een breder scala aan elektromagnetische eigenschappen hebben, waaronder een negatieve brekingsindex. Opmerkingen Engheta, Nader (Engels) Russisch; Ziolkowski, Richard W. Metamaterialen: natuurkunde en technische verkenningen. - John Wiley & Sons &, 2006. - P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. - 440 blz. - ISBN 978-0-471-76102-0. David R. Smith (Engels) Russisch. Metamaterialen(Engels) . Metagroep. Duke universiteit. Opgehaald op 22 augustus 2015. Slyusar, Vadim. Metamaterialen in antennetechnologie: geschiedenis en basisprincipes // Elektronica: wetenschap, technologie, zakenleven. - 2009. - Nr. 7. - blz. 70-79. Slyusar, Vadim. Metamaterialen in antennetechnologie: basisprincipes en resultaten // First Mile. Last Mile (aanvulling op het tijdschrift “Electronics: Science, Technology, Business”). - 2010. - Nr. 3-4. - Blz. 44-60. PostWetenschap Ildar Gabitov 29 maart 2017 Metamaterialen Orlov A.A., Yankovskaya E.A., Belov P.A., Zhukovsky S.V. De materiële parameters van een plasmonische meerlaags extraheren uit de reflectie- en transmissiecoëfficiënten // Wetenschappelijk en technisch bulletin over informatietechnologieën, mechanica en optica. -

Metamaterialen zijn speciale composietmaterialen die worden verkregen door kunstmatige modificatie van de daarin geïntroduceerde elementen. De structuur wordt op nanoschaal veranderd, wat het mogelijk maakt om de afmetingen, vormen en roosterperioden van het atoom te veranderen, evenals andere parameters van het materiaal. Dankzij de kunstmatige transformatie van de structuur verkrijgt het gemodificeerde object geheel nieuwe eigenschappen die materialen van natuurlijke oorsprong niet hebben.

Dankzij de bovenstaande transformatie worden de magnetische, diëlektrische permeabiliteit en andere fysieke indicatoren van het geselecteerde object gewijzigd. Als gevolg hiervan verwerven de getransformeerde materialen unieke optische, radiofysische, elektrische en andere eigenschappen, die brede perspectieven openen voor de ontwikkeling van wetenschappelijke vooruitgang. Werk in deze richting kan leiden tot de opkomst van volledig nieuwe apparaten en uitvindingen die tot de verbeelding zullen verbazen. Dit zijn onzichtbaarheidsmantels, superlenzen en nog veel meer.

Soorten

Metamaterialen worden gewoonlijk geclassificeerd op basis van hun brekingsgraad:

• Eendimensionaal. Daarin verandert de mate van breking voortdurend slechts in één richting in de ruimte. Dergelijke materialen zijn gemaakt van lagen elementen die parallel zijn gerangschikt en een verschillende mate van breking hebben. Ze kunnen alleen unieke eigenschappen aantonen in een enkele ruimterichting, die loodrecht op de gespecificeerde lagen staat.
• 2D. Daarin verandert de mate van breking voortdurend in slechts 2 richtingen van de ruimte. Dergelijke materialen zijn in de meeste gevallen gemaakt van rechthoekige structuren met breking m1 en bevinden zich in een medium met breking m2. Tegelijkertijd bevinden elementen met breking m1 zich in een tweedimensionaal rooster met een kubieke basis. Hierdoor kunnen dergelijke materialen hun eigenschappen in 2 richtingen van de ruimte aantonen. Maar de tweedimensionaliteit van materialen beperkt zich niet tot slechts een rechthoek; het kan worden gecreëerd met behulp van een cirkel, ellips of een andere willekeurige vorm.
• 3D. Daarin verandert de mate van breking voortdurend in 3 richtingen van de ruimte. Dergelijke materialen kunnen conventioneel worden weergegeven als een reeks gebieden in volumetrische zin (ellips, kubus, enzovoort), gelegen in een driedimensionaal rooster.

Metamaterialen zijn ook onderverdeeld in:

• Geleiders. Ze verplaatsen quasideeltjes over aanzienlijke afstanden, maar met kleine verliezen.
• Diëlektrica . De spiegels zijn in vrijwel perfecte staat.
• Halfgeleiders . Dit zijn elementen die bijvoorbeeld alleen quasideeltjes met een bepaalde golflengte kunnen reflecteren.
• Supergeleiders . In deze materialen kunnen quasideeltjes vrijwel onbeperkte afstanden afleggen.

Daarnaast zijn er materialen:

• Niet-resonant.
• Resonant.

Het verschil tussen resonante materialen en niet-resonante elementen is dat ze alleen bij een bepaalde resonantiefrequentie een diëlektrische constante hebben.

Metamaterialen kunnen worden gemaakt met verschillende elektrische eigenschappen. Daarom zijn ze verdeeld op basis van hun relatieve permeabiliteit:

• DNG, dat wil zeggen dubbel negatief - de permeabiliteiten zijn negatief.
• DPS, dat wil zeggen dubbel positief - de permeabiliteiten zijn positief.
• Hallo-Z, dat wil zeggen oppervlakken met hoge impedantie.
• SNG, dat wil zeggen enkele negatieve materialen van gemengd type.
• DZR, dat wil zeggen dubbel nul – het materiaal heeft een permeabiliteit gelijk aan nul.

Apparaat

Metamaterialen zijn stoffen waarvan de eigenschappen worden geleverd door een microscopische structuur die door mensen is geïntroduceerd. Ze worden gesynthetiseerd door periodieke structuren met verschillende geometrische vormen op te nemen in een bepaald element van natuurlijke oorsprong, waardoor de magnetische en diëlektrische gevoeligheid van de oorspronkelijke structuur wordt gewijzigd.

Conventioneel kunnen dergelijke insluitsels worden beschouwd als kunstmatige atomen die behoorlijk groot zijn. Tijdens de synthese heeft de maker van het materiaal de mogelijkheid om het verschillende parameters te geven, die gebaseerd zijn op de vorm en grootte van de structuren, periodevariabiliteit en dergelijke. Dankzij dit is het mogelijk om materialen te verkrijgen die verbazingwekkende eigenschappen hebben.

Een van de bekendste elementen zijn fotonische kristallen. Hun eigenaardigheid manifesteert zich door een periodieke verandering in de mate van breking in de ruimte in één, twee en drie richtingen. Dankzij deze parameters kan het materiaal zones hebben die wel of geen fotonenenergie ontvangen.

Als gevolg hiervan, als een foton met een bepaalde energie (van de vereiste frequentie en golflengte) die niet overeenkomt met de zone van het gespecificeerde kristal, wordt vrijgegeven op de gespecificeerde substantie, wordt het in de tegenovergestelde richting gereflecteerd. Als een foton met parameters die overeenkomen met de parameters van de toegestane zone het kristal raakt, beweegt het erlangs. Op een andere manier fungeert het kristal als een optisch filterelement. Dat is de reden waarom deze kristallen ongelooflijk rijke en heldere kleuren hebben.

Operatie principe

Het belangrijkste kenmerk van kunstmatig gevormde materialen is de periodiciteit van hun structuur. Het zou kunnen 1D, 2D of 3D structuur. In feite kunnen ze heel verschillende structuren hebben. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gerangschikt als diëlektrische elementen, waartussen zich open draadringen bevinden. In dit geval kunnen de ringen worden vervormd van rond naar vierkant.

Om ervoor te zorgen dat de elektrische eigenschappen bij elke frequentie behouden blijven, zijn de ringen gesloten gestructureerd. Bovendien zijn ringen in een stof vaak willekeurig gerangschikt. De realisatie van de unieke parameters van een nieuwe stof vindt plaats bij resonantie van de frequentie ervan, evenals de effectieve frequentie van een elektromagnetische golf van buitenaf.

Sollicitatie

Metamaterialen worden en zullen op grote schaal worden gebruikt in alle gebieden waar elektromagnetische straling wordt gebruikt. Dit zijn geneeskunde, wetenschap, industrie, ruimtevaartapparatuur en nog veel meer. Tegenwoordig wordt er een enorme hoeveelheid elektromagnetische materialen gecreëerd die al worden gebruikt.

• In de radiofysica en astronomie wordt gebruik gemaakt van speciale coatings die uitstekend geschikt zijn om telescopen of sensoren die gebruik maken van langegolfstraling te beschermen.
• In de optica vindt diffractiebreking ook een brede toepassing. Er is bijvoorbeeld al een superlens gemaakt, waarmee we het probleem van de diffractielimiet van de resolutie van standaardoptiek kunnen oplossen. Als gevolg hiervan vertoonde het eerste experimentele exemplaar van de lens fenomenale prestaties; de resolutie was driemaal hoger dan de bestaande diffractielimiet.

• In de micro-elektronica kunnen metamaterialen een echte revolutie teweegbrengen die het leven van vrijwel iedere persoon op aarde kan veranderen. Dit zou kunnen leiden tot de opkomst van ordes van grootte kleinere en ongelooflijk efficiënte apparaten en antennes voor mobiele telefoons. Dankzij nieuwe materialen zal het mogelijk zijn om de dichtheid van gegevensopslag uit te breiden, wat betekent dat er schijven en vele andere elektronische apparaten zullen verschijnen die een aanzienlijke hoeveelheid geheugen kunnen hebben;
• Het creëren van ongelooflijk krachtige lasers. Dankzij het gebruik van materialen met een aangepaste structuur verschijnen er al krachtige lasers die, met minder energieverbruik, een krachtige en destructieve lichtpuls van de orde van grootte produceren. Als gevolg hiervan kunnen er laserwapens verschijnen die het mogelijk maken ballistische raketten die zich op een afstand van tientallen kilometers bevinden, neer te schieten.

Industriële lasers zullen niet alleen metalen materialen met een dikte van enkele tientallen millimeters efficiënt kunnen snijden, maar ook materialen die een orde van grootte groter zijn.

Dankzij nieuwe lasersystemen zullen er nieuwe industriële 3D-printers verschijnen die snel en met hoge kwaliteit metalen producten kunnen printen. Qua kwaliteit zullen ze vrijwel niet onderdoen voor producten die zijn geproduceerd met behulp van typische metaalbewerkingsmethoden. Het kan bijvoorbeeld gaan om een ​​tandwiel of ander complex onderdeel, waarvan de productie onder normale omstandigheden veel tijd en moeite zou vergen.

• Creatie van nieuwe anti-reflecterende materialen. Dankzij hun creatie en gebruik zal het mogelijk zijn om gevechtsvliegtuigen, bommenwerpers, schepen, onderzeeërs, tanks, robotsystemen en mobiele installaties zoals Yars en Sarmat te creëren, die niet zichtbaar zullen zijn voor vijandelijke sensoren en radars. Soortgelijke technologieën kunnen al worden gebruikt in gevechtsvliegtuigen van de zesde en zevende generatie.

Tegenwoordig is het al mogelijk om “onzichtbaarheid” te garanderen voor apparatuur in het terahertz-frequentiebereik. In de toekomst zal het mogelijk zijn technologie te creëren die onzichtbaar zal zijn in het gehele frequentiebereik, inclusief ‘zichtbaar’ voor het menselijk oog. Eén van die oplossingen is de onzichtbaarheidsmantel. Op dit moment kan de onzichtbaarheidsmantel al kleine voorwerpen verbergen, maar er zijn enkele tekortkomingen.

• Mogelijkheid om door muren heen te kijken. Het gebruik van nieuwe kunstmatige materialen zal het mogelijk maken om apparaten te creëren waarmee je door muren heen kunt kijken. Tegenwoordig worden er al apparaten gemaakt die een sterke magnetische respons vertonen op straling in het terahertz-bereik.
• Het creëren van een steile muur of niet-bestaande ‘kopieën’ van militair materieel. Metamaterialen stellen je in staat de illusie te creëren van de aanwezigheid van een object op een plek waar het niet bestaat. Soortgelijke technologieën worden bijvoorbeeld al door het Russische leger gebruikt om veel niet-bestaande raketten te maken die naast de echte ‘vliegen’ om het raketafweersysteem van de vijand te misleiden.

MOSKOU,26 Sep - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Soms kunnen de verworvenheden van de moderne technologie voor magie worden aangezien. Alleen in plaats van magie werkt exacte wetenschap. Een van de onderzoeksgebieden, waarvan de resultaten heel goed zouden kunnen dienen als illustratie van de eigenschappen van ‘sprookjesachtige attributen’, is de ontwikkeling en creatie van metamaterialen.

Wiskundigen hebben een manier gevonden om metamateriaal in een ‘lichtcomputer’ te veranderenWiskundigen hebben ontdekt dat de eigenschappen van metamaterialen in theorie kunnen worden veranderd, zodat een verzameling van verschillende stukken van dergelijke verbindingen complexe wiskundige bewerkingen kan uitvoeren op afzonderlijke lichtbundels.

Puur fysisch gezien zijn metamaterialen kunstmatig gevormde en speciaal geconstrueerde structuren die elektromagnetische of optische eigenschappen hebben die in de natuur onbereikbaar zijn. Deze laatste worden zelfs niet bepaald door de kenmerken van hun samenstellende stoffen, namelijk de structuur. qua uiterlijk kan van dezelfde materialen worden gebouwd, maar de ene heeft een andere geluidsisolatie en in de andere hoor je zelfs de ademhaling van je buurman vanuit het tegenoverliggende appartement. Wat is het geheim? Alleen in het vermogen van de bouwer om de verstrekte middelen te beheren.

Op dit moment hebben materiaalwetenschappers al veel structuren gecreëerd waarvan de eigenschappen niet in de natuur voorkomen, hoewel ze de grenzen van natuurkundige wetten niet overschrijden. Een van de gecreëerde metamaterialen kan bijvoorbeeld geluidsgolven zo briljant beheersen dat ze een balletje in de lucht houden. Het bestaat uit twee roosters die zijn samengesteld uit stenen gevuld met thermoplastische staven, die in een “slangenpatroon” zijn gelegd. De geluidsgolf is gefocusseerd als licht in een lens, en de onderzoekers denken dat ze met dit apparaat de controle over geluid kunnen ontwikkelen en de mogelijkheid krijgen om van richting te veranderen, aangezien ze nu het pad van een lichtstraal veranderen met behulp van optica.

© Illustratie door RIA Novosti. A. Polyanina

© Illustratie door RIA Novosti. A. Polyanina

Een ander metamateriaal kan zichzelf herschikken. Het object wordt daaruit zonder hulp van handen in elkaar gezet, omdat de vormverandering programmeerbaar is! De structuur van zo’n ‘slim’ materiaal bestaat uit kubussen, waarvan elke wand is opgebouwd uit twee buitenste lagen polyethyleentereftalaat en één binnenste laag dubbelzijdig plakband. Met dit ontwerp kunt u de vorm, het volume en zelfs de stijfheid van een object wijzigen.

Maar de meest verbazingwekkende eigenschappen zijn die van optische metamaterialen, die de visuele perceptie van de werkelijkheid kunnen veranderen. Ze ‘werken’ in het golflengtebereik dat het menselijk oog kan zien. Het is van dergelijke materialen dat wetenschappers een stof hebben gemaakt waaruit een onzichtbaarheidsmantel kan worden gemaakt.

Het is waar dat tot nu toe alleen een micro-object onzichtbaar kan worden gemaakt in het optische bereik.

De mogelijkheid om een ​​materiaal met een negatieve brekingshoek te creëren werd al in 1967 voorspeld door de Sovjet-natuurkundige Viktor Veselago, maar pas nu verschijnen de eerste voorbeelden van echte structuren met dergelijke eigenschappen. Door de negatieve brekingshoek Lichtstralen buigen zich rond een object, waardoor het onzichtbaar wordt. De waarnemer merkt dus alleen wat er gebeurt achter de rug van de persoon die de ‘prachtige’ mantel draagt.

© Foto: Xiang Zhang-groep, Berkeley Lab/UC Berkeley

© Foto: Xiang Zhang-groep, Berkeley Lab/UC Berkeley

De nieuwste prestatie op het gebied van de creatie van optische metamaterialen is van Russische wetenschappers van NUST MISIS. Bovendien werden de meest voorkomende "ingrediënten" gebruikt: lucht, glas en water. Het werk van de wetenschappers werd gepubliceerd in een van de hoogst gewaardeerde tijdschriften ter wereld, Scientific Reports. uitgeverij Natuur. “Elk monster kan duizenden euro’s kosten”, benadrukt Alexey Basharin, onderzoeker bij het NUST MISIS Laboratory of Superconducting Metamaterials, kandidaat voor technische wetenschappen. — Bovendien is de kans op fouten bij het vormen van een dergelijk systeem zeer hoog, zelfs met het gebruik van de meest nauwkeurige gereedschappen. Als u echter een materiaal op grotere schaal maakt dat geen optisch (400-700 nm), maar radioactief materiaal bevat, golven (7-8 cm lang), de fysica van het proces. Deze schaal zal niet veranderen, maar de technologie om ze te creëren zal eenvoudiger worden."

Door de eigenschappen van de gecreëerde structuren te bestuderen, hebben de auteurs van het werk aangetoond dat dit type stof verschillende praktische toepassingen heeft: in de eerste plaats zijn dit sensoren van complexe moleculen, aangezien deze laatste, wanneer ze het veld van het metamateriaal betreden, beginnen te gloed. Op deze manier kunnen zelfs afzonderlijke moleculen worden bepaald, wat potentieel een aanzienlijke impact zou kunnen hebben op de ontwikkeling van bijvoorbeeld de forensische wetenschap. Bovendien kan een dergelijk metamateriaal worden gebruikt als lichtfilter, waardoor licht van een bepaalde lengte wordt geïsoleerd van de invallende straling. Het is ook toepasbaar als basis voor het creëren van ultrabetrouwbaar magnetisch geheugen, omdat de structuur van de metamateriaalcellen verhindert dat ze magnetisatie naar elkaar omkeren en daardoor informatie verliezen.

Viktor Georgievitsj Veselago

Bijna veertig jaar geleden veronderstelde de Sovjetwetenschapper Viktor Veselago het bestaan ​​van materialen met een negatieve brekingsindex:

Metamaterialen zijn composietmaterialen waarvan de eigenschappen niet zozeer worden bepaald door de individuele fysische eigenschappen van hun componenten als wel door hun microstructuur. De term "metamaterialen" wordt vooral vaak gebruikt in verband met composieten die eigenschappen vertonen die niet kenmerkend zijn voor objecten die in de natuur voorkomen. .

Golfvergelijking

Uit de vergelijkingen van Maxwell voor een homogeen neutraal niet-geleidend medium volgt dat elektromagnetische golven zich met fasesnelheid kunnen voortplanten in elektromagnetische velden.

In een vacuüm is deze snelheid gelijk aan de lichtsnelheid

Dus de fasevoortplantingssnelheid um. golven in een stof worden bepaald door de magnetische en diëlektrische constante van het medium.

De verhouding tussen de snelheid van het licht in vacuüm en|do| lichtsnelheid in het medium - N wordt de absolute brekingsindex van het medium genoemd

Victor Veselago bracht de volgende hypothese naar voren:

“Als we geen rekening houden met verliezen en n, ε en μ als reële getallen beschouwen, dan is het duidelijk dat de gelijktijdige verandering van de tekens van ε en μ de verhouding op geen enkele manier beïnvloedt. Deze situatie kan op verschillende manieren worden verklaard. Ten eerste kunnen we toegeven dat de eigenschappen van stoffen in werkelijkheid niet afhankelijk zijn van de gelijktijdige verandering van de tekens van ε en μ. Ten tweede kan het blijken dat de gelijktijdige negativiteit van ε en μ in tegenspraak is met alle fundamentele natuurwetten, en dat stoffen met ε daarom< 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.»

“Rechts” en “Links” isotrope media

Laat een vlakke elektromagnetische golf zich voortplanten in een homogeen neutraal niet-geleidend medium in de richting van de x-as, waarvan het golffront loodrecht staat op de voortplantingsrichting.

Vectoren vormen een rechtshandig systeem met de richting van de golfvoortplanting; op een vast punt in de ruimte veranderen ze in de loop van de tijd volgens een harmonische wet in één fase.

Dergelijke omgevingen worden daarom ‘rechts’ genoemd.

Omgevingen waarin ε en μ beide negatief zijn, worden “linkshandig” genoemd.

In dergelijke media vormen de elektrische, magnetische en golfvectoren een systeem van linkshandige vectoren.

Als je met je hand een slinger duwt, zal deze gehoorzaam in de richting van de duw bewegen en beginnen te oscilleren met de zogenaamde resonantiefrequentie. Door de slinger in de maat van de zwaai te duwen, kunt u de amplitude van de oscillaties vergroten. Als je hem met een hogere frequentie duwt, zullen de schokken niet langer samenvallen met de oscillaties in fase, en op een gegeven moment zal de hand worden geraakt door een slinger die ernaar toe beweegt. Op dezelfde manier raken elektronen in een materiaal met een negatieve brekingsindex uit fase en beginnen ze de “duwen” van het elektromagnetische veld te weerstaan.

Zo toonde Veselago in 1968 aan dat een stof met negatieve ε en μ een brekingsindex n kleiner dan 0 zou moeten hebben.

Experimentele bevestiging.

Elektronen in een materiaal bewegen heen en weer onder invloed van een elektrisch veld en in een cirkel onder invloed van een magnetisch veld. De mate van interactie wordt bepaald door twee kenmerken van de stof: diëlektrische constante ε en magnetische permeabiliteit μ. De eerste toont de mate van reactie van elektronen op een elektrisch veld, de tweede - de mate van reactie op een magnetisch veld. De overgrote meerderheid van materialen heeft ε en μ groter dan nul.

Negatieve ε of μ treden op wanneer elektronen in een materiaal in de tegenovergestelde richting bewegen van de krachten die worden gecreëerd door elektrische en magnetische velden. Hoewel dit gedrag paradoxaal lijkt, is het niet zo moeilijk om elektronen tegen de krachten van elektrische en magnetische velden in te laten bewegen.

Waar en hoe moet je naar dergelijke stoffen zoeken?

De eerste experimentele bevestiging van de mogelijkheid om een ​​materiaal met een negatieve brekingsindex te creëren werd in 2000 verkregen aan de Universiteit van Californië in San Diego (UCSD). Omdat de fundamentele bouwstenen van het metamateriaal veel kleiner moeten zijn dan de golflengte, werkten de onderzoekers met centimetergolflengtestraling en gebruikten ze elementen van enkele millimeters groot.

De sleutel tot dit soort negatieve reacties is resonantie, dat wil zeggen de neiging om op een specifieke frequentie te trillen. Het wordt kunstmatig gemaakt in een metamateriaal met behulp van kleine resonante circuits die de reactie van een stof op een magnetisch of elektrisch veld simuleren. In een gebroken ringresonator (RRR) induceert een magnetische flux die door een metalen ring gaat bijvoorbeeld cirkelvormige stromen daarin, vergelijkbaar met de stromen die het magnetisme van sommige materialen veroorzaken. En in een rooster van rechte metalen staven creëert het elektrische veld stromen die erlangs gericht zijn. Vrije elektronen in dergelijke circuits oscilleren met een resonantiefrequentie, afhankelijk van de vorm en grootte van de geleider. Als een veld met een frequentie onder de resonantiefrequentie wordt aangelegd, wordt een normale positieve respons waargenomen. Naarmate de frequentie echter toeneemt, wordt de respons negatief, net zoals in het geval van een slinger die naar je toe beweegt als je hem duwt met een frequentie boven de resonante. Geleiders in een bepaald frequentiebereik kunnen dus als medium reageren op een elektrisch veld met negatieve ε, en ringen met sneden kunnen een materiaal met negatieve μ simuleren. Deze geleiders en ringen met inkepingen zijn de elementaire blokken die nodig zijn om een ​​breed scala aan metamaterialen te creëren, inclusief de materialen waar Veselago naar op zoek was.

Californische wetenschappers hebben een metamateriaal ontworpen dat bestaat uit afwisselende geleiders en RKR, geassembleerd in de vorm van een prisma. De geleiders zorgden voor een negatieve ε, en de ringen met insnijdingen zorgden voor een negatieve μ. Het resultaat had een negatieve brekingsindex moeten zijn. Ter vergelijking werd van Teflon een prisma met exact dezelfde vorm gemaakt, waarvoor n = 1,4. De onderzoekers richtten een straal microgolfstraling op de rand van het prisma en maten de intensiteit van de golven die er onder verschillende hoeken uitkwamen. Zoals verwacht werd de straal positief gebroken door het Teflon-prisma en negatief gebroken door het metamateriaalprisma.

Gevolgen.

Breking op het grensvlak tussen twee media met verschillende facetten.

Superlens.

Een eenvoudige vlak-parallelle metamateriaalplaat met n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Plane-parallelle plaat gemaakt van metamateriaal met n<0

In de juiste omgeving is de beeldruimte van de lens niet identiek aan het object zelf, omdat het is gevormd zonder verdwijnende golven. In het linker medium verzwakken de verdwijnende golven niet; integendeel, hun amplitude neemt toe naarmate de golf zich van het object verwijdert, zodat het beeld wordt gevormd met de deelname van verdwijnende golven, die het mogelijk kunnen maken om beelden te verkrijgen met een resolutie beter dan de diffractielimiet. Het is mogelijk om de diffractielimiet te overwinnen bij het maken van dergelijke optische systemen, door ze te gebruiken om de resolutie van microscopen te verhogen, microschakelingen op nanoschaal te creëren en de opnamedichtheid op optische opslagmedia te vergroten.

Negatieve druk

Reflectie van een straal die zich voortplant in een medium met 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.

Nieuws

Begin 2007 werd de creatie aangekondigd van een metamateriaal met een negatieve brekingsindex in het zichtbare gebied. Het materiaal had een brekingsindex bij een golflengte van 780 nm gelijk aan −0,6

In 2011 werden artikelen gepubliceerd waaruit bleek dat er in de VS een technologie was getest waarmee grote vellen metamaterialen massaal konden worden geproduceerd

Metamaterialen door te printen

Conclusie

De studie en creatie van nieuwe metamaterialen met unieke eigenschappen zal de mensheid in de nabije toekomst in staat stellen aanzienlijke vooruitgang te boeken op veel gebieden van wetenschap en technologie. Dit omvat astronomisch onderzoek dankzij superlenzen die de diffractielimiet van de resolutie overwinnen; alternatieve energiebronnen - er verschijnen nieuwe zonnepanelen met een rendement van meer dan 20%; materialen - onzichtbaar, etc. Het aantal richtingen in onderzoek is enorm en, belangrijker nog, ze zijn succesvol.

Dus kathedralen van supervitale kristallen
Gewetensvol spinnenlicht,
De ribben ontrafelen, nog een keer
Verzameld in één bundel.
O. Mandelstam

Kinderprobleem “Wat is zwaarder, een kilo watten of een kilo ijzervijlsel?” zal een trage eerste-klasser alleen maar in verwarring brengen. Het is veel interessanter om over dit onderwerp te speculeren: "Welke eigenschappen zal het materiaal hebben dat we krijgen als we fijngemalen watten en ijzervijlsel zorgvuldig mengen?" Het is intuïtief duidelijk: om deze vraag te beantwoorden, moet je de eigenschappen van ijzer en watten onthouden, waarna je met vertrouwen kunt zeggen dat het resulterende materiaal hoogstwaarschijnlijk bijvoorbeeld zal reageren op de aanwezigheid van een magneet en water. Worden de eigenschappen van een meerfasig materiaal echter altijd uitsluitend bepaald door de eigenschappen van de componenten waaruit het bestaat? Ik zou deze vraag graag positief willen beantwoorden, omdat het moeilijk is om je bijvoorbeeld een mengsel van diëlektrica (bijvoorbeeld zaagsel en schuimballen) voor te stellen dat elektrische stroom geleidt.

“Dit gebeurt alleen in sprookjes!” - de eerste-klasser zal proberen zichzelf te rehabiliteren, denkend aan de talrijke tovenaars en tovenaressen uit kindersprookjes, die door het mengen van allerlei soorten vliegenzwammen, kikkerbilletjes en vleermuisvleugels magische poeders ontvingen, waarvan de magische eigenschappen strikt genomen , zijn niet kenmerkend voor vliegenzwammen en kikkerbilletjes. Verrassend genoeg kent de moderne wetenschap echter voorbeelden van hoe de combinatie van heel gewone materialen het mogelijk maakt objecten te creëren waarvan de eigenschappen niet alleen niet inherent zijn aan de gebruikte componenten, maar die in principe ook niet in de natuur te vinden zijn en, zoals het lijkt op het eerste gezicht verboden zijn door de wetten van de natuurkunde. ‘Dit is een wonder!’ zal de leerling van het eerste leerjaar zeggen. “Nee, dit zijn metamaterialen!” - een moderne wetenschapper zal bezwaar maken. En beiden zullen op hun eigen manier gelijk hebben, want vanuit het oogpunt van de klassieke wetenschap zijn metamaterialen in staat echte wonderen te creëren. Het proces van het creëren van een metamateriaal lijkt echter ook op magie, omdat Het is niet voldoende om simpelweg de componenten van een metamateriaal te mengen; ze moeten goed gestructureerd zijn.

Metamaterialen zijn composietmaterialen waarvan de eigenschappen niet zozeer worden bepaald door de individuele fysische eigenschappen van hun componenten als wel door hun microstructuur. De term ‘metamaterialen’ wordt vooral vaak toegepast op composieten die eigenschappen vertonen die niet kenmerkend zijn voor objecten in de natuur.

Een van de meest besproken soorten metamaterialen de laatste tijd zijn objecten met een negatieve brekingsindex. Uit de natuurkundecursus op school is bekend dat de brekingsindex van het medium ( N) is een grootheid die aangeeft hoeveel keer de fasesnelheid van elektromagnetische straling in het medium ( V) minder dan de lichtsnelheid in vacuüm ( C): n=c/V. De brekingsindex van vacuüm is gelijk aan 1 (wat in feite volgt uit de definitie), terwijl deze voor de meeste optische media groter is. Gewoon silicaatglas heeft bijvoorbeeld een brekingsindex van 1,5, wat betekent dat het licht zich daarin voortplant met een snelheid die 1,5 keer minder is dan in een vacuüm. Het is belangrijk op te merken dat de waarde afhankelijk is van de golflengte van elektromagnetische straling N kan varieren.

Meestal wordt de brekingsindex van een materiaal onthouden bij het beschouwen van het effect van lichtbreking op het grensvlak tussen twee optische media. Dit fenomeen wordt beschreven door de wet van Snell:

n 1 sinα = n 2 sinβ,

waarbij α de invalshoek is van licht afkomstig van een medium met brekingsindex n 1, en β de brekingshoek is van licht in een medium met brekingsindex n 2.

Voor alle media die in de natuur voorkomen, bevinden de stralen van invallend en gebroken licht zich aan weerszijden van de normaal, hersteld naar het grensvlak tussen de media op het brekingspunt (figuur 1a). Als we echter n 2 formeel vervangen door de wet van Snell<0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

De theoretische mogelijkheid van het bestaan ​​van unieke materialen met een negatieve brekingsindex werd bijna 40 jaar geleden opgemerkt door de Sovjet-natuurkundige V. Veselago. Feit is dat de brekingsindex verband houdt met twee andere fundamentele kenmerken van materie, de diëlektrische constante ε en de magnetische permeabiliteit μ, door een eenvoudige relatie: n 2 = ε·μ. Ondanks het feit dat aan deze vergelijking wordt voldaan door zowel positieve als negatieve waarden van n, weigerden wetenschappers lange tijd te geloven in de fysieke betekenis van de laatste - totdat Veselago aantoonde dat n< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Natuurlijke materialen met een negatieve diëlektrische constante zijn algemeen bekend: elk metaal met frequenties boven de plasmafrequentie (waarbij het metaal transparant wordt). In dit geval e< 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 .

Er zijn dus systemen mogelijk met een negatieve reactie op zowel de elektrische als de magnetische componenten van elektromagnetische straling. Amerikaanse onderzoekers onder leiding van David Smith waren in 2000 de eersten die beide systemen in één materiaal combineerden. Het gecreëerde metamateriaal bestond uit metalen staven die verantwoordelijk waren voor 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.

Vanuit natuurkundig oogpunt zijn metamaterialen met een negatieve brekingsindex de antipoden van conventionele materialen. Bij een negatieve brekingsindex wordt de fasesnelheid van elektromagnetische straling omgekeerd; de Dopplerverschuiving vindt plaats in de tegenovergestelde richting; Tsjerenkovstraling van een bewegend geladen deeltje vindt niet voorwaarts, maar achterwaarts plaats; convergerende lenzen worden divergerend en omgekeerd... En dit alles is slechts een klein deel van de verbazingwekkende verschijnselen die mogelijk zijn voor metamaterialen met een negatieve brekingsindex. Het praktische gebruik van dergelijke materialen houdt in de eerste plaats verband met de mogelijkheid om op basis daarvan terahertz-optiek te creëren, wat op zijn beurt zal leiden tot de ontwikkeling van meteorologie en oceanografie, de opkomst van radars met nieuwe eigenschappen en all-weather-technologie. navigatiemiddelen, apparaten voor diagnostiek op afstand van de kwaliteit van onderdelen en veiligheidssystemen waarmee je wapens onder kleding kunt detecteren, maar ook unieke medische apparaten.

Literatuur

D.R. Smit, W.J. Padilla, DC Vier, SC Nemat-Nasser, S. Schultz, samengesteld medium met gelijktijdig negatieve permeabiliteit en permittiviteit, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.