χ e (\displaystyle \chi _(e)) a magnetická χ susceptibilita východiskového materiálu. Pri veľmi hrubom priblížení možno takéto implantáty považovať za atómy extrémne veľkých rozmerov umelo zavedené do zdrojového materiálu. Vývojár metamateriálov má pri ich syntéze možnosť vybrať (variovať) rôzne voľné parametre (veľkosti štruktúr, tvar, konštantná a premenlivá perióda medzi nimi atď.).

Vlastnosti

Prechod svetla cez metamateriál s „ľavým“ indexom lomu.

Jednou z možných vlastností metamateriálov je negatívny (alebo ľavotočivý) index lomu, ktorý sa objaví, keď sú permitivita a magnetická permeabilita súčasne negatívne.

Základy efektov

Rovnica pre šírenie elektromagnetických vĺn v izotropnom prostredí má tvar:

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

Kde k (\displaystyle k)- vlnový vektor, ω (\displaystyle \omega )- vlnová frekvencia, c (\displaystyle c)- rýchlosť svetla, n 2 = ϵ μ (\displaystyle n^(2)=\epsilon \mu )- druhá mocnina indexu lomu. Z týchto rovníc je zrejmé, že súčasná zmena znamienka dielektrika a magnetu μ (\displaystyle \mu ) priepustnosť média tieto vzťahy nijako neovplyvní.

„Vpravo“ a „Vľavo“ izotropné médium

Rovnica (1) je odvodená na základe Maxwellovej teórie. Pre médiá s dielektrikom ϵ (\displaystyle \epsilon ) a magnetické μ (\displaystyle \mu ) susceptibilita prostredia je súčasne kladná, tri vektory elektromagnetického poľa - elektrický a magnetický a vlnový tvoria systém tzv. pravé vektory:

[ 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)).)

Takéto prostredia sa preto nazývajú „pravicové“.

Prostredia, ktoré ϵ (\displaystyle \epsilon ), μ (\displaystyle \mu )- súčasne negatívny, nazývaný „ľavý“. V takýchto médiách elektrický E → (\displaystyle (\vec (E))), magnetické H → (\displaystyle (\vec (H))) a vlnový vektor k → (\displaystyle (\vec (k))) tvoria systém ľavých vektorov.

V literatúre v anglickom jazyku sa opísané materiály môžu nazývať materiály pre pravákov a ľavákov alebo skrátené ako RHM (vpravo) a LHM (vľavo).

Prenos energie pravou a ľavou vlnou

Tok energie prenášanej vlnou je určený Poyntingovým vektorom, ktorý sa rovná S → = (c / 4 π) [ E → H → ] (\displaystyle (\vec (S))=(c/4\pi)\left[(\vec (E))(\vec (H)) \správny]). Vektor S → (\displaystyle (\vec (S))) vždy tvorí s vektormi E → (\displaystyle (\vec (E))), H → (\displaystyle (\vec (H))) správne tri. Teda pre pravotočivé látky S → (\displaystyle (\vec (S))) A k → (\displaystyle (\vec (k))) nasmerované jedným smerom a vľavo - v rôznych smeroch. Od vektora k → (\displaystyle (\vec (k))) sa zhoduje v smere s fázovou rýchlosťou, je zrejmé, že ľavotočivé látky sú látky s takzvanou zápornou fázovou rýchlosťou. Inými slovami, v ľavotočivých látkach je fázová rýchlosť opačná k toku energie. V takýchto látkach sa napríklad pozoruje obrátený Dopplerov jav a spätné vlny.

Ľavá stredná disperzia

Existencia negatívneho indikátora média je možná, ak má frekvenčný rozptyl. Ak v rovnakom čase ϵ < 0 {\displaystyle \epsilon <0} , μ < 0 {\displaystyle \mu <0} , potom vlnová energia W = ϵ E 2 + μ H 2 (\displaystyle W=\epsilon E^(2)+\mu H^(2)) bude negatívny(!). Jediný spôsob, ako sa vyhnúť tomuto rozporu, je, ak má médium frekvenčný rozptyl ∂ ϵ / ∂ ω (\displaystyle \partial \epsilon /\partial \omega ) A ∂ μ / ∂ ω (\displaystyle \partial \mu /\partial \omega ).

Príklady šírenia vĺn v ľavostrannom médiu

Prvá experimentálne preukázaná superšošovka s negatívnym indexom mala rozlíšenie trikrát lepšie ako je difrakčný limit. Experiment sa uskutočnil pri mikrovlnných frekvenciách. Superšošovka bola implementovaná do optického rozsahu v roku 2005. Išlo o šošovku, ktorá nevyužívala negatívny lom, ale využívala tenkú vrstvu striebra na zosilnenie miznúcich vĺn. Nedávne pokroky v technológii superšošoviek sú preskúmané v CE&N. Na vytvorenie superšošoviek sa používajú striedajúce sa vrstvy striebra a fluoridu horečnatého nanesené na substrát, na ktorý sa potom nareže nanomriežka. Výsledkom bola trojrozmerná kompozitná štruktúra s negatívnym indexom lomu v blízkej infračervenej oblasti. V druhom prípade bol metamateriál vytvorený pomocou nanodrôtov, ktoré boli pestované elektrochemicky na poréznom povrchu oxidu hlinitého. Začiatkom roku 2007 bolo oznámené vytvorenie metamateriálu s negatívnym indexom lomu vo viditeľnej oblasti. Materiál mal index lomu pri vlnovej dĺžke 780 nm -0,6. Metapovrchy Dvojrozmerným analógom metamateriálov sú metapovrchy. Metapovrchy sú obzvlášť vhodné na riadenie svetla, pretože majú tendenciu mať nižšie straty ako hromadné metamateriály a ľahšie sa vyrábajú. Aplikácia Bolo oznámené vytvorenie metamateriálu s negatívnym indexom lomu vo viditeľnej oblasti, schopného skryť trojrozmerný objekt. Materiál pozostáva zo zlatého substrátu, zlatých nanoantén a fluoridu horečnatého. Použitie metamateriálov pri vytváraní maskovacieho inteligentného oblečenia pre armádu je sľubnejšie ako alternatívne prístupy. Vzhľadom na to, že metamateriály majú negatívny index lomu, sú ideálne na maskovanie predmetov, keďže ich nemožno odhaliť rádiovým prieskumom. Existujúce metamateriály však majú iba negatívny index lomu k prvej aproximácii, čo vedie k významným sekundárnym reemisiam. Záujem o využitie metamateriálov v rádiotechnických aplikáciách a najmä v anténovej technike výrazne rastie. Hlavné oblasti ich použitia: výroba substrátov a žiaričov v tlačených anténach na dosiahnutie širokopásmového pripojenia a zmenšenie veľkosti prvkov antény; kompenzácia reaktivity elektricky malých antén v širokom frekvenčnom pásme vrátane tých, ktoré prekračujú základnú hranicu Chu; dosiahnutie úzkej priestorovej orientácie elementárnych žiaričov ponorených do metamédia; výroba antén s povrchovými vlnami; zníženie vzájomného vplyvu medzi prvkami anténnych polí vrátane zariadení MIMO; koordinácia klaksónu a iných typov antén. Príbeh Prvé práce v tomto smere pochádzajú z 19. storočia. V roku 1898 Jagadis Chandra Bose uskutočnil prvý mikrovlnný experiment na štúdium polarizačných vlastností zakrivených štruktúr, ktoré vytvoril. V roku 1914 Lindmann pracoval na umelých médiách, ktoré pozostávali z mnohých náhodne orientovaných malých drôtov, stočených do špirály a zapustených do média, ktoré ich fixovalo. V rokoch 1946-1948 Winston E. Cocke ako prvý vytvoril mikrovlnné šošovky pomocou vodivých guľôčok, diskov a periodicky usporiadaných kovových pásikov, ktoré v podstate tvorili umelé médium so špecifickým efektívnym indexom lomu. Podrobný popis histórie problematiky možno nájsť v práci V. M. Agranoviča a Yu. N. Gartsteina, ako aj v publikáciách Vadima Slyusara. Vo väčšine prípadov sa história problematiky materiálov s negatívnym indexom lomu začína zmienkou o práci sovietskeho fyzika Viktora Veselaga, publikovanej v časopise Uspekhi Fizicheskikh Nauk v roku 1967. Článok pojednával o možnosti materiálu s negatívnym indexom lomu, ktorý sa nazýval „ľavák“. Autor dospel k záveru, že pri takomto materiáli sa výrazne menia takmer všetky známe optické javy šírenia vĺn, hoci v tom čase ešte neboli známe materiály s negatívnym indexom lomu. Tu je však potrebné poznamenať, že v skutočnosti sa o takýchto „ľavorukých“ prostrediach hovorilo oveľa skôr v práci Sivukhina a v článkoch Pafomova. V posledných rokoch prebieha intenzívny výskum javov spojených s negatívnym indexom lomu. Dôvodom zintenzívnenia týchto štúdií bol vznik novej triedy umelo modifikovaných materiálov so špeciálnou štruktúrou, nazývaných metamateriály. Elektromagnetické vlastnosti metamateriálov sú určené prvkami ich vnútornej štruktúry, umiestnenými podľa daného vzoru na mikroskopickej úrovni. Preto je možné vlastnosti týchto materiálov zmeniť tak, aby mali širší rozsah elektromagnetických charakteristík vrátane negatívneho indexu lomu. Poznámky Engheta, Nader (Angličtina) ruský; Ziolkowski, Richard W. Metamateriály: Fyzika a inžinierske prieskumy. - John Wiley & Sons &, 2006. - P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. - 440 str. - ISBN 978-0-471-76102-0. David R. Smith (Angličtina) ruský. Metamateriály(Angličtina) . Meta Group. Duke University. Získané 22. augusta 2015. Slyusar, Vadim. Metamateriály v anténnej technike: história a základné princípy // Elektronika: veda, technika, podnikanie. - 2009. - č. 7. - s. 70-79. Slyusar, Vadim. Metamateriály v anténnej technológii: základné princípy a výsledky // First Mile. Posledná míľa (dodatok k časopisu „Electronics: Science, Technology, Business“). - 2010. - č. 3-4. - S. 44-60. PostScience Ildar Gabitov 29. marca 2017 Metamateriály Orlov A. A., Yankovskaya E. A., Belov P. A., Zhukovsky S. V. Extrahovanie materiálových parametrov plazmonickej viacvrstvy z koeficientov odrazu a prenosu // Vedecko-technický bulletin informačných technológií, mechaniky a optiky. -

Metamateriály sú špeciálne kompozitné materiály, ktoré sa získavajú umelou úpravou prvkov do nich vložených. Štruktúra sa mení na nanoúrovni, čo umožňuje meniť veľkosti, tvary a periódy mriežky atómu, ako aj ďalšie parametre materiálu. Vďaka umelej premene štruktúry získava upravený predmet úplne nové vlastnosti, ktoré materiály prírodného pôvodu nemajú.

Vďaka vyššie uvedenej transformácii sa modifikuje magnetická, dielektrická permeabilita, ako aj ďalšie fyzikálne ukazovatele vybraného objektu. Výsledkom je, že transformované materiály získavajú jedinečné optické, rádiofyzikálne, elektrické a iné vlastnosti, ktoré otvárajú široké vyhliadky na rozvoj vedeckého pokroku. Práca v tomto smere môže viesť k vzniku úplne nových zariadení a vynálezov, ktoré ohromia fantáziu. Sú to neviditeľné plášte, super šošovky a oveľa viac.

Druhy

Metamateriály sa zvyčajne klasifikujú podľa stupňa lomu:

• Jednorozmerný. V nich sa stupeň lomu neustále mení len v jedinom smere v priestore. Takéto materiály sú vyrobené z vrstiev prvkov usporiadaných paralelne a majúcich rôzne stupne lomu. Jedinečné vlastnosti sú schopné preukázať iba v jedinom smere priestoru, ktorý je kolmý na určené vrstvy.
• 2D. V nich sa stupeň lomu neustále mení len v 2 smeroch priestoru. Takéto materiály sú vo väčšine prípadov vyrobené z pravouhlých štruktúr s lomom m1 a umiestnených v médiu s lomom m2. Zároveň sú prvky s lomom m1 umiestnené v 2-rozmernej mriežke s kubickou základňou. Vďaka tomu sú takéto materiály schopné preukázať svoje vlastnosti v 2 smeroch priestoru. Dvojrozmernosť materiálov sa však neobmedzuje len na obdĺžnik, dá sa vytvoriť pomocou kruhu, elipsy alebo iného ľubovoľného tvaru.
• 3D. V nich sa stupeň lomu neustále mení v 3 smeroch priestoru. Takéto materiály môžu byť konvenčne reprezentované ako pole oblastí v objemovom zmysle (elipsa, kocka atď.), ktoré sa nachádzajú v trojrozmernej mriežke.

Metamateriály sa tiež delia na:

• Dirigenti. Pohybujú kvázičastice na značné vzdialenosti, ale s malými stratami.
• Dielektrika . Zrkadlá sú takmer v perfektnom stave.
• Polovodiče . Ide o prvky, ktoré môžu napríklad odrážať kvázičastice len určitej vlnovej dĺžky.
• Supravodiče . V týchto materiáloch môžu kvázičastice cestovať na takmer neobmedzené vzdialenosti.

Okrem toho existujú materiály:

• Nerezonančné.
• Rezonančné.

Rozdiel medzi rezonančnými materiálmi a nerezonančnými prvkami je v tom, že majú dielektrickú konštantu len pri určitej rezonančnej frekvencii.

Metamateriály môžu byť vytvorené s rôznymi elektrickými vlastnosťami. Preto sa delia podľa ich relatívnej priepustnosti:

• DNG, teda dvojitý negatívny - priepustnosti sú negatívne.
• DPS, teda dvojité pozitívne - priepustnosti sú pozitívne.
• Ahoj-Z, teda vysokoimpedančné povrchy.
• SNG, teda jediný negatív - materiály zmiešaného typu.
• DZR, teda dvojitá nula – materiál má priepustnosť rovnú nule.

Zariadenie

Metamateriály sú látky, ktorých vlastnosti zabezpečuje mikroskopická štruktúra zavedená ľuďmi. Sú syntetizované začlenením periodických štruktúr s rôznymi geometrickými tvarmi do daného prvku prírodného pôvodu, čím sa modifikuje magnetická a dielektrická susceptibilita pôvodnej štruktúry.

Bežne sa takéto inklúzie môžu považovať za umelé atómy, ktoré sú dosť veľké. Pri syntéze má tvorca materiálu možnosť dať mu rôzne parametre, ktoré vychádzajú z tvaru a veľkosti štruktúr, dobovej variability a pod. Vďaka tomu je možné získať materiály, ktoré majú úžasné vlastnosti.

Jedným z najznámejších takýchto prvkov sú fotonické kryštály. Ich zvláštnosť sa prejavuje periodickou zmenou stupňa lomu v priestore v jednom, dvoch a troch smeroch. Vďaka týmto parametrom môže mať materiál zóny, ktoré môžu alebo nemusia prijímať fotónovú energiu.

Výsledkom je, že ak sa na špecifikovanú látku uvoľní fotón s určitou energiou (požadovanej frekvencie a vlnovej dĺžky), ktorá nezodpovedá zóne špecifikovaného kryštálu, odrazí sa v opačnom smere. Ak fotón s parametrami, ktoré zodpovedajú parametrom povolenej zóny, zasiahne kryštál, potom sa po ňom pohybuje. Iným spôsobom kryštál pôsobí ako optický filtračný prvok. Preto majú tieto kryštály neuveriteľne sýte a jasné farby.

Princíp fungovania

Hlavnou črtou umelo vytvorených materiálov je periodicita ich štruktúry. To môže byť 1D, 2D alebo 3Dštruktúru. V skutočnosti môžu mať veľmi odlišné štruktúry. Napríklad môžu byť usporiadané ako dielektrické prvky, medzi ktorými budú otvorené drôtené krúžky. V tomto prípade môžu byť krúžky deformované z okrúhleho na štvorcový.

Aby sa zabezpečilo udržanie elektrických vlastností pri akejkoľvek frekvencii, krúžky sú uzavreté. Okrem toho sú krúžky v látke často usporiadané náhodne. K realizácii jedinečných parametrov novej látky dochádza pri rezonancii jej frekvencie, ako aj efektívnej frekvencie elektromagnetickej vlny zvonku.

Aplikácia

Metamateriály sú a budú široko používané vo všetkých oblastiach, kde sa používa elektromagnetické žiarenie. Ide o medicínu, vedu, priemysel, vesmírne vybavenie a mnohé ďalšie. Dnes vzniká obrovské množstvo elektromagnetických materiálov, ktoré sa už využívajú.

• V rádiofyzike a astronómii sa používajú špeciálne nátery, ktoré sa výborne používajú na ochranu ďalekohľadov alebo senzorov, ktoré využívajú dlhovlnné žiarenie.
• V optike nachádza široké uplatnenie aj difrakčná refrakcia. Napríklad už bola vytvorená superšošovka, ktorá nám umožňuje vyriešiť problém difrakčnej hranice rozlíšenia štandardnej optiky. Výsledkom bolo, že prvá experimentálna vzorka šošovky preukázala fenomenálny výkon, jej rozlíšenie bolo 3-krát vyššie ako existujúci limit difrakcie.

• V mikroelektronike môžu metamateriály spôsobiť skutočnú revolúciu, ktorá môže zmeniť život takmer každého človeka na Zemi. To by mohlo viesť k vzniku rádovo menších a neuveriteľne účinných zariadení a antén pre mobilné telefóny. Vďaka novým materiálom bude možné rozšíriť hustotu ukladania dát, čo znamená, že sa objavia disky a mnohé ďalšie elektronické zariadenia, ktoré budú môcť mať značné množstvo pamäte;
• Vytváranie neuveriteľne výkonných laserov. Vďaka použitiu materiálov s upravenou štruktúrou sa už objavujú výkonné lasery, ktoré pri menšej spotrebovanej energii produkujú rádovo silný a deštruktívny svetelný impulz. V dôsledku toho sa môžu objaviť laserové zbrane, ktoré umožnia zostreliť balistické rakety umiestnené vo vzdialenosti desiatok kilometrov.

Priemyselné lasery budú schopné efektívne rezať nielen kovové materiály s hrúbkou niekoľkých desiatok milimetrov, ale aj rádovo väčšie.

Vďaka novým laserovým systémom sa objavia nové priemyselné 3D tlačiarne, ktoré budú schopné tlačiť kovové výrobky rýchlo a kvalitne. Z hľadiska ich kvality nebudú prakticky horšie ako výrobky vyrábané typickými metódami spracovania kovov. Môže to byť napríklad ozubené koleso alebo iná zložitá súčiastka, ktorej výroba by za normálnych podmienok vyžadovala veľa času a úsilia.

• Vytvorenie nových antireflexných materiálov. Vďaka ich vytvoreniu a použitiu bude možné vytvárať stíhačky, bombardéry, lode, ponorky, tanky, robotické systémy, mobilné inštalácie ako Yars a Sarmat, ktoré nebudú viditeľné pre nepriateľské senzory a radary. Podobné technológie sa už dajú použiť v stíhačkách šiestej a siedmej generácie.

Už dnes je možné zabezpečiť „neviditeľnosť“ pre zariadenia v terahertzovom frekvenčnom rozsahu. V budúcnosti bude možné vytvoriť technológiu, ktorá bude neviditeľná v celom frekvenčnom rozsahu, vrátane „viditeľnej“ pre ľudské oko. Jedným z takýchto riešení je neviditeľný plášť. V súčasnosti neviditeľný plášť už dokáže ukryť drobné predmety, no má nejaké chyby.

• Schopnosť vidieť cez steny. Použitie nových umelých materiálov umožní vytvárať zariadenia, ktoré vám umožnia vidieť cez steny. Už dnes vznikajú zariadenia, ktoré vykazujú silnú magnetickú odozvu na žiarenie v terahertzovom rozsahu.
• Vytvorenie blafovej steny alebo neexistujúcich „kópií“ vojenského vybavenia. Metamateriály vám umožňujú vytvoriť ilúziu prítomnosti objektu na mieste, kde neexistuje. Napríklad podobné technológie už ruská armáda používa na vytvorenie mnohých neexistujúcich rakiet, ktoré „lietajú“ vedľa skutočnej, aby oklamali systém protiraketovej obrany nepriateľa.

MOSKVA,26 Sep - RIA Novosti, Oľga Kolentsová. Niekedy sa výdobytky modernej techniky dajú zameniť za mágiu. Len namiesto mágie funguje presná veda. Jednou z oblastí výskumu, ktorého výsledky by mohli dobre poslúžiť ako ilustrácia vlastností „rozprávkových atribútov“, je vývoj a tvorba metamateriálov.

Matematici našli spôsob, ako zmeniť metamateriál na „ľahký počítač“Matematici zistili, že vlastnosti metamateriálov možno teoreticky zmeniť tak, že súbor niekoľkých rôznych kúskov takýchto zlúčenín môže vykonávať zložité matematické operácie na jednotlivých lúčoch svetla.

Z čisto fyzikálneho hľadiska sú metamateriály umelo vytvorené a špeciálne skonštruované štruktúry, ktoré majú v prírode nedosiahnuteľné elektromagnetické alebo optické vlastnosti, ktoré neurčujú ani vlastnosti ich základných látok, konkrétne konštrukcie. vzhľadovo podobný sa dá postaviť z rovnakých materiálov, ale jeden bude mať inak odhlučnený a v inom dokonca budete počuť dýchanie suseda z bytu oproti. Aké je to tajomstvo? Len v schopnosti stavebníka hospodáriť s poskytnutými prostriedkami.

V súčasnosti už materiáloví vedci vytvorili mnoho štruktúr, ktorých vlastnosti sa v prírode nenachádzajú, hoci neprekračujú hranice fyzikálnych zákonov. Napríklad jeden z vytvorených metamateriálov dokáže ovládať zvukové vlny tak bravúrne, že vo vzduchu udržia malú guľu. Pozostáva z dvoch roštov zostavených z tehál vyplnených termoplastovými tyčami, ktoré sú uložené v „hadom“ vzore. Zvuková vlna je zaostrená ako svetlo v šošovke a vedci veria, že toto zariadenie im umožní rozvinúť ovládanie zvuku až po schopnosť meniť jeho smer, keďže teraz menia dráhu svetelného lúča pomocou optiky.

© Ilustrácia RIA Novosti. A. Polyanina

© Ilustrácia RIA Novosti. A. Polyanina

Iný metamateriál sa môže preusporiadať. Objekt sa z neho skladá bez pomoci rúk, pretože zmena tvaru sa dá naprogramovať! Štruktúru takéhoto „inteligentného“ materiálu tvoria kocky, ktorých každá stena je tvorená dvomi vonkajšími vrstvami polyetyléntereftalátu a jednou vnútornou vrstvou obojstrannej lepiacej pásky. Tento dizajn vám umožňuje zmeniť tvar, objem a dokonca aj tuhosť objektu.

Ale najúžasnejšie vlastnosti majú optické metamateriály, ktoré dokážu zmeniť vizuálne vnímanie reality. „Pracujú“ v rozsahu vlnových dĺžok, ktoré ľudské oko vidí. Práve z takýchto materiálov vedci vytvorili látku, z ktorej sa dá vyrobiť plášť neviditeľnosti.

Pravda, zatiaľ sa dá v optickom dosahu zneviditeľniť len mikroobjekt.

Možnosť vytvorenia materiálu s negatívnym uhlom lomu predpovedal už v roku 1967 sovietsky fyzik Viktor Veselago, no až teraz sa objavujú prvé príklady reálnych štruktúr s takýmito vlastnosťami. V dôsledku negatívneho refrakčného uhla lúče svetla sa ohýbajú okolo objektu a robia ho neviditeľným. Pozorovateľ si teda všimne len to, čo sa deje za chrbtom toho, kto nosí „úžasný“ plášť.

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

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

Najnovší úspech vo vytváraní optických metamateriálov patrí ruským vedcom z NUST MISIS. Okrem toho boli použité najbežnejšie „prísady“ - vzduch, sklo a voda. Práca vedcov bola publikovaná v jednom z najlepšie hodnotených časopisov na svete, Scientific Reports. nakladateľstvo Príroda. „Každá takáto vzorka môže stáť tisíce eur,“ zdôraznil Alexey Basharin, výskumník v laboratóriu supravodivých metamateriálov NUST MISIS, kandidát technických vied. — Navyše, pravdepodobnosť chyby pri formovaní takéhoto systému je veľmi vysoká aj pri použití najpresnejších nástrojov.Ak však vytvoríte materiál väčšieho rozsahu, ktorý neobsahuje optický (400-700 nm), ale rádiový vlny (7-8 cm dlhé), fyzika procesu Toto škálovanie sa nezmení, ale technológia ich vytvárania sa zjednoduší.“

Štúdiom vlastností vytvorených štruktúr autori práce ukázali, že tento typ látok má viacero praktických aplikácií, v prvom rade ide o senzory zložitých molekúl, keďže tie sa pri vstupe do oblasti metamateriálu začínajú žiara. Takto sa dajú určiť aj jednotlivé molekuly, čo by potenciálne mohlo mať významný vplyv na rozvoj napríklad forenznej vedy. Okrem toho je možné takýto metamateriál použiť ako svetelný filter, izolujúci svetlo určitej dĺžky od dopadajúceho žiarenia, je použiteľný aj ako základ pre vytvorenie ultraspoľahlivej magnetickej pamäte, pretože štruktúra buniek metamateriálu im bráni vzájomným obrátením magnetizácie a tým stratou informácií.

Viktor Georgievič Veselago

Pred takmer 40 rokmi sovietsky vedec Viktor Veselago predpokladal existenciu materiálov s negatívnym indexom lomu:

Metamateriály sú kompozitné materiály, ktorých vlastnosti nie sú určené ani tak individuálnymi fyzikálnymi vlastnosťami ich komponentov, ako skôr ich mikroštruktúrou. Výraz "metamateriály" sa obzvlášť často používa v súvislosti s tými kompozitmi, ktoré vykazujú vlastnosti, ktoré nie sú charakteristické pre predmety nachádzajúce sa v prírode. .

Vlnová rovnica

Z Maxwellových rovníc pre homogénne neutrálne nevodivé médium vyplýva, že elektromagnetické vlny sa môžu šíriť v elektromagnetických poliach s fázovou rýchlosťou

Vo vákuu sa táto rýchlosť rovná rýchlosti svetla

Takže fázová rýchlosť šírenia um. vlny v látke sú určené magnetickou a dielektrickou konštantou prostredia.

Pomer rýchlosti svetla vo vákuu k|do| rýchlosť svetla v médiu - n nazývaný absolútny index lomu média

Victor Veselago predložil nasledujúcu hypotézu:

„Ak neberieme do úvahy straty a považujeme n, ε a μ za reálne čísla, potom je jasné, že súčasná zmena znamienok ε a μ pomer nijako neovplyvňuje. Túto situáciu možno vysvetliť rôznymi spôsobmi. Po prvé, môžeme pripustiť, že vlastnosti látok skutočne nezávisia od súčasnej zmeny znamienka ε a μ. Po druhé, môže sa ukázať, že súčasná negativita ε a μ odporuje akýmkoľvek základným prírodným zákonom, a teda látkam s 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.»

„Vpravo“ a „Vľavo“ izotropné médium

Nech sa v homogénnom neutrálnom nevodivom prostredí šíri rovinná elektromagnetická vlna v smere osi x, ktorej čelo vlny je kolmé na smer šírenia.

Vektory a tvoria pravotočivý systém so smerom šírenia vĺn, v pevnom bode priestoru sa v čase menia podľa harmonického zákona v jednej fáze.

Takéto prostredia sa preto nazývajú „pravicové“.

Prostredia, v ktorých sú ε aj μ záporné, sa nazývajú „ľavoruké“.

V takýchto médiách tvoria elektrické, magnetické a vlnové vektory systém ľavotočivých vektorov.

Ak totiž zatlačíte na kyvadlo rukou, poslušne sa pohne v smere tlačenia a začne kmitať s takzvanou rezonančnou frekvenciou. Zatlačením kyvadla v čase s hojdačkou môžete zvýšiť amplitúdu kmitov. Ak naň zatlačíte vyššou frekvenciou, otrasy sa už nebudú zhodovať s kmitmi vo fáze a v určitom okamihu ruku zasiahne kyvadlo, ktoré sa k nej pohybuje. Podobne elektróny v materiáli so záporným indexom lomu vychádzajú z fázy a začínajú odolávať „tlakom“ elektromagnetického poľa.

Tak v roku 1968 Veselago ukázal, že látka s negatívnymi ε a μ by mala mať index lomu n menší ako 0.

Experimentálne potvrdenie.

Elektróny v materiáli sa pohybujú tam a späť pod vplyvom elektrického poľa a v kruhu pod vplyvom magnetického poľa. Stupeň interakcie je určený dvoma charakteristikami látky: dielektrická konštanta ε a magnetická permeabilita μ. Prvý ukazuje stupeň reakcie elektrónov na elektrické pole, druhý - stupeň reakcie na magnetické pole. Prevažná väčšina materiálov má ε a μ väčšie ako nula.

Negatívne ε alebo μ sa vyskytujú, keď sa elektróny v materiáli pohybujú v opačnom smere ako sily vytvárané elektrickými a magnetickými poľami. Hoci sa toto správanie zdá paradoxné, prinútiť elektróny, aby sa pohybovali proti silám elektrických a magnetických polí, nie je až také ťažké.

Kde a ako takéto látky hľadať?

Prvé experimentálne potvrdenie možnosti vytvorenia materiálu s negatívnym indexom lomu bolo získané v roku 2000 na Kalifornskej univerzite v San Diegu (UCSD). Pretože základné stavebné kamene metamateriálu musia byť oveľa menšie ako vlnová dĺžka, vedci pracovali s centimetrovým vlnovým žiarením a použili prvky s veľkosťou niekoľkých milimetrov.

Kľúčom k tomuto druhu negatívnej reakcie je rezonancia, teda tendencia vibrovať na určitej frekvencii. Vytvára sa umelo v metamateriáli pomocou malých rezonančných obvodov, ktoré simulujú odozvu látky na magnetické alebo elektrické pole. Napríklad v rezonátore s prerušeným prstencom (RRR) magnetický tok prechádzajúci cez kovový prstenec v ňom indukuje kruhové prúdy, podobné prúdom, ktoré spôsobujú magnetizmus niektorých materiálov. A v mriežke priamych kovových tyčí elektrické pole vytvára prúdy smerujúce pozdĺž nich. Voľné elektróny v takýchto obvodoch oscilujú s rezonančnou frekvenciou v závislosti od tvaru a veľkosti vodiča. Ak sa použije pole s frekvenciou pod rezonančnou frekvenciou, pozoruje sa normálna pozitívna odozva. Keď sa však frekvencia zvyšuje, odozva sa stáva negatívnou, rovnako ako v prípade kyvadla pohybujúceho sa smerom k vám, ak ho stlačíte s frekvenciou nad rezonančnou. Takže vodiče v určitom frekvenčnom rozsahu môžu reagovať na elektrické pole ako médium so záporným ε a prstence s rezmi môžu simulovať materiál so záporným μ. Tieto vodiče a krúžky s rezmi sú základnými blokmi potrebnými na vytvorenie širokej škály metamateriálov, vrátane tých, ktoré Veselago hľadal.

Kalifornskí vedci navrhli metamateriál pozostávajúci zo striedavých vodičov a RKR, zostavených vo forme hranola. Vodiče poskytli záporné ε a krúžky s rezmi poskytli záporné μ. Výsledkom mal byť negatívny index lomu. Pre porovnanie, hranol presne rovnakého tvaru bol vyrobený z teflónu, pre ktorý n = 1,4. Vedci nasmerovali lúč mikrovlnného žiarenia na okraj hranola a merali intenzitu vĺn, ktoré z neho vychádzali pod rôznymi uhlami. Ako sa očakávalo, lúč bol pozitívne lámaný teflónovým hranolom a negatívne lámaný metamateriálovým hranolom.

Dôsledky.

Refrakcia na rozhraní medzi dvoma médiami s rôznymi fazetami.

Superlens.

Jednoduchá planparalelná metamateriálová doska s n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Planparalelná doska z metamateriálu s n<0

V správnom prostredí nie je obrazový priestor šošovky identický so samotným objektom, pretože je tvorený bez mizivých vĺn. V ľavom médiu evanescentné vlny nezoslabujú, naopak, ich amplitúda sa zväčšuje, keď sa vlna vzďaľuje od objektu, takže obraz sa vytvára za účasti evanescentných vĺn, čo umožňuje získať obrázky s rozlíšením lepšie ako difrakčný limit. Pri vytváraní takýchto optických systémov je možné prekonať difrakčný limit, použiť ich na zvýšenie rozlíšenia mikroskopov, vytvorenie mikroobvodov nanometrov a zvýšenie hustoty záznamu na optických pamäťových médiách.

Negatívny tlak

Odraz lúča šíriaceho sa v prostredí s 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.

Správy

Začiatkom roku 2007 bolo oznámené vytvorenie metamateriálu s negatívnym indexom lomu vo viditeľnej oblasti. Materiál mal index lomu pri vlnovej dĺžke 780 nm rovný -0,6

V roku 2011 boli publikované články naznačujúce, že v USA bola testovaná technológia, ktorá umožňuje hromadnú výrobu veľkých plátov metamateriálov.

Metamateriály tlačou

Záver

Štúdium a vytváranie nových metamateriálov s unikátnymi vlastnosťami umožní ľudstvu v blízkej budúcnosti výrazne napredovať v mnohých oblastiach vedy a techniky. To zahŕňa astronomický výskum vďaka superšošovkám, ktoré prekonávajú difrakčný limit rozlíšenia; alternatívne zdroje energie – objavia sa nové solárne panely s účinnosťou nad 20 %; materiály - neviditeľné atď. Počet smerov vo výskume je obrovský a hlavne sú úspešné.

Čiže katedrály supervitálnych kryštálov
Svedomité svetlo pavúka,
Rozpletanie rebier, opäť ich
Zhromažďuje sa do jedného zväzku.
O. Mandelstam

Detský problém „Čo je ťažšie, kilogram vaty alebo kilogram železných pilín? popletie len pomalého prváka. Oveľa zaujímavejšie je špekulovať na tému: „Aké vlastnosti bude mať materiál, ktorý získame, ak opatrne zmiešame jemne mletú vatu a železné piliny?“ Je to intuitívne jasné: na zodpovedanie tejto otázky si musíte pamätať na vlastnosti železa a vaty, po ktorých môžete s istotou povedať, že výsledný materiál bude s najväčšou pravdepodobnosťou reagovať napríklad na prítomnosť magnetu a vody. Sú však vlastnosti viacfázového materiálu vždy určené výlučne vlastnosťami komponentov, ktoré ho tvoria? Na túto otázku by som rád odpovedal kladne, pretože je ťažké si predstaviť povedzme zmes dielektrík (napríklad pilín a penových guľôčok), ktorá vedie elektrický prúd.

"Toto sa stáva len v rozprávkach!" - prvák sa pokúsi rehabilitovať, pričom si spomenie na početných čarodejníkov a bosoriek z detských rozprávok, ktoré zmiešaním všetkých druhov muchotrávok, žabích stehienok a netopierích krídel získavali čarovné prášky, ktorých magické vlastnosti, prísne vzaté , nie sú charakteristické pre muchovníky a žabie stehienka. Moderná veda však prekvapivo pozná príklady toho, ako kombinácia celkom obyčajných materiálov umožňuje vytvárať predmety, ktorých vlastnosti nielenže nie sú vlastné použitým komponentom, ale v zásade ich nemožno nájsť v prírode a ako by sa mohlo zdať na prvý pohľad sú zakázané fyzikálnymi zákonmi. "To je zázrak!" povie prvák. "Nie, toto sú metamateriály!" - namietne moderný vedec. A obaja budú mať svojim spôsobom pravdu, pretože z pohľadu klasickej vedy sú metamateriály schopné vytvárať skutočné zázraky. Proces vytvárania metamateriálu je však tiež podobný mágii, pretože Nestačí jednoducho zmiešať zložky metamateriálu, musia byť správne štruktúrované.

Metamateriály sú kompozitné materiály, ktorých vlastnosti nie sú určené ani tak individuálnymi fyzikálnymi vlastnosťami ich komponentov, ako skôr ich mikroštruktúrou. Pojem „metamateriály“ sa obzvlášť často používa na tie kompozity, ktoré vykazujú vlastnosti, ktoré nie sú charakteristické pre objekty nachádzajúce sa v prírode.

Jedným z najdiskutovanejších typov metamateriálov v poslednej dobe sú predmety s negatívnym indexom lomu. Zo školského kurzu fyziky je dobre známe, že index lomu média ( n) je veličina ukazujúca, koľkokrát je fázová rýchlosť elektromagnetického žiarenia v médiu ( V) menšia ako rýchlosť svetla vo vákuu ( c): n=c/V. Index lomu vákua sa rovná 1 (čo v skutočnosti vyplýva z definície), zatiaľ čo pre väčšinu optických médií je väčší. Napríklad obyčajné silikátové sklo má index lomu 1,5, čo znamená, že svetlo sa v ňom šíri rýchlosťou 1,5-krát menšou ako vo vákuu. Je dôležité poznamenať, že v závislosti od vlnovej dĺžky elektromagnetického žiarenia je hodnota n môže sa líšiť.

Najčastejšie sa index lomu materiálu zapamätá pri zvažovaní účinku lomu svetla na rozhraní medzi dvoma optickými médiami. Tento jav popisuje Snellov zákon:

n 1 sinα = n 2 sinβ,

kde α je uhol dopadu svetla prichádzajúceho z prostredia s indexom lomu n 1 a β je uhol lomu svetla v médiu s indexom lomu n 2.

Pre všetky médiá, ktoré možno nájsť v prírode, sú lúče dopadajúceho a lomeného svetla na opačných stranách normálu obnovené na rozhranie medzi médiami v bode lomu (obr. 1a). Ak však formálne dosadíme n 2 do Snellovho zákona<0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

Na teoretickú možnosť existencie unikátnych materiálov s negatívnym indexom lomu upozornil sovietsky fyzik V. Veselago už pred takmer 40 rokmi. Faktom je, že index lomu súvisí s ďalšími dvoma základnými charakteristikami hmoty, dielektrickou konštantou ε a magnetickou permeabilitou μ, jednoduchým vzťahom: n 2 = ε·μ. Napriek tomu, že táto rovnica je splnená pozitívnymi aj negatívnymi hodnotami n, vedci dlho odmietali veriť vo fyzikálny význam druhého - až kým Veselago neukázal, že n< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Prírodné materiály s negatívnou dielektrickou konštantou sú dobre známe - akýkoľvek kov s frekvenciami nad frekvenciou plazmy (pri ktorej sa kov stáva priehľadným). V tomto prípade 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 .

Sú teda možné systémy s negatívnou odozvou na elektrickú aj magnetickú zložku elektromagnetického žiarenia. Americkí vedci pod vedením Davida Smitha ako prví v roku 2000 spojili oba systémy do jedného materiálu. Vytvorený metamateriál pozostával z kovových tyčí zodpovedných za 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.

Z fyzikálneho hľadiska sú metamateriály s negatívnym indexom lomu antipódmi konvenčných materiálov. V prípade negatívneho indexu lomu je fázová rýchlosť elektromagnetického žiarenia obrátená; Dopplerov posun nastáva v opačnom smere; Čerenkovovo žiarenie z pohybujúcej sa nabitej častice sa nevyskytuje dopredu, ale dozadu; zbiehavé šošovky sa stávajú divergentnými a naopak... A to všetko je len malá časť tých úžasných javov, ktoré sú možné pre metamateriály s negatívnym indexom lomu. Praktické využitie takýchto materiálov je predovšetkým spojené s možnosťou vytvorenia terahertzovej optiky na ich základe, čo následne povedie k rozvoju meteorológie a oceánografie, vzniku radarov s novými vlastnosťami a za každého počasia. navigačné nástroje, zariadenia na diaľkovú diagnostiku kvality dielov a bezpečnostné systémy, ktoré umožňujú odhaliť zbrane pod oblečením, ako aj unikátne medicínske prístroje.

Literatúra

DR. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Kompozitné médium so simultánne negatívnou permeabilitou a povolenosťou, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.