Siêu vật liệu. Các loại và thiết bị
Của cải
Sự truyền ánh sáng qua siêu vật liệu có chiết suất “thuận tay trái”.
Một trong những tính chất có thể có của siêu vật liệu là chiết suất âm (hoặc thuận tay trái), xuất hiện khi độ thấm và độ thấm từ đồng thời âm.
Cơ bản về hiệu ứng
Phương trình truyền sóng điện từ trong môi trường đẳng hướng có dạng:
k 2 − (ω / c) 2 n 2 = 0 , (\displaystyle k^(2)-(\omega /c)^(2)n^(2)=0,) (1)Ở đâu k (\displaystyle k)- vectơ sóng, ω (\displaystyle \omega )- tần số sóng, c (\displaystyle c)- tốc độ ánh sáng, n 2 = ϵ μ (\displaystyle n^(2)=\epsilon \mu )- bình phương chiết suất. Từ các phương trình này, rõ ràng là sự thay đổi đồng thời dấu của điện môi và từ trường μ (\displaystyle \mu ) tính thấm của môi trường sẽ không ảnh hưởng đến các mối quan hệ này dưới bất kỳ hình thức nào.
Môi trường đẳng hướng “Phải” và “Trái”
Phương trình (1) được suy ra dựa trên lý thuyết của Maxwell. Đối với môi trường có chất điện môi ϵ (\displaystyle \epsilon ) và từ tính μ (\displaystyle \mu )độ cảm của môi trường đồng thời là dương, ba vectơ của trường điện từ - điện và từ và sóng tạo thành một hệ thống được gọi là. vectơ phải:
[ 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)).)Những môi trường như vậy theo đó được gọi là “cánh hữu”.
Môi trường mà ϵ (\displaystyle \epsilon ), μ (\displaystyle \mu )- đồng thời phủ định, gọi là “trái”. Trong các phương tiện truyền thông như vậy, điện E → (\displaystyle (\vec (E))), từ tính H → (\displaystyle (\vec (H))) và vectơ sóng k → (\displaystyle (\vec (k))) tạo thành một hệ vectơ trái.
Trong tài liệu tiếng Anh, các tài liệu được mô tả có thể được gọi là tài liệu thuận tay phải và tay trái, hoặc viết tắt tương ứng là RHM (phải) và LHM (trái).
Truyền năng lượng bằng sóng phải và trái
Dòng năng lượng do sóng mang được xác định bởi vectơ Poynting, bằng với S → = (c / 4 π) [ E → H → ] (\displaystyle (\vec (S))=(c/4\pi)\left[(\vec (E))(\vec (H)) \Phải]). Vectơ S → (\displaystyle (\vec (S))) luôn tạo thành với vectơ E → (\displaystyle (\vec (E))), H → (\displaystyle (\vec (H)))đúng ba. Vì vậy, đối với các chất thuận tay phải S → (\displaystyle (\vec (S))) Và k → (\displaystyle (\vec (k))) hướng theo một hướng và sang trái - theo các hướng khác nhau. Vì vectơ k → (\displaystyle (\vec (k))) cùng hướng với vận tốc pha thì rõ ràng các chất thuận tay trái là những chất có cái gọi là vận tốc pha âm. Nói cách khác, trong các chất thuận tay trái, vận tốc pha ngược với dòng năng lượng. Ví dụ, trong những chất như vậy, người ta quan sát thấy hiệu ứng Doppler đảo ngược và sóng ngược.
Phân tán trung bình bên trái
Có thể tồn tại chỉ báo âm của môi trường nếu nó có độ phân tán tần số. Nếu cùng một lúc ϵ < 0 {\displaystyle \epsilon <0} , μ < 0 {\displaystyle \mu <0} , thì năng lượng sóng W = ϵ E 2 + μ H 2 (\displaystyle W=\epsilon E^(2)+\mu H^(2)) sẽ âm (!). Cách duy nhất để tránh mâu thuẫn này là nếu môi trường có tán sắc tần số ∂ ϵ / ∂ ω (\displaystyle \partial \epsilon /\partial \omega ) Và ∂ μ / ∂ ω (\displaystyle \partial \mu /\partial \omega ).
Ví dụ về sự truyền sóng trong môi trường thuận tay trái
Các siêu thấu kính chiết suất âm đầu tiên được chứng minh bằng thực nghiệm có độ phân giải tốt hơn ba lần so với giới hạn nhiễu xạ. Thí nghiệm được thực hiện ở tần số vi sóng. Các siêu thấu kính được triển khai trong phạm vi quang học vào năm 2005. Đó là một thấu kính không sử dụng khúc xạ âm mà sử dụng một lớp bạc mỏng để khuếch đại các sóng phù du. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ siêu thấu kính được xem xét trong CE&N. Để tạo ra siêu thấu kính, người ta sử dụng các lớp bạc và magie florua xen kẽ lắng đọng trên một chất nền, sau đó cắt lưới nano trên đó. Kết quả là một cấu trúc hỗn hợp ba chiều có chiết suất âm ở vùng cận hồng ngoại. Trong trường hợp thứ hai, siêu vật liệu được tạo ra bằng cách sử dụng các dây nano được nuôi cấy điện hóa trên bề mặt alumina xốp. Vào đầu năm 2007, việc tạo ra một siêu vật liệu có chiết suất âm trong vùng khả kiến đã được công bố. Vật liệu này có chiết suất ở bước sóng 780 nm là -0,6. Siêu bề mặtMột dạng tương tự hai chiều của siêu vật liệu là siêu bề mặt. Siêu bề mặt đặc biệt phù hợp để kiểm soát ánh sáng vì chúng có xu hướng tổn thất thấp hơn siêu vật liệu khối và dễ chế tạo hơn. Ứng dụngNgười ta đã công bố việc tạo ra một siêu vật liệu có chiết suất âm trong vùng khả kiến, có khả năng che giấu một vật thể ba chiều. Vật liệu này bao gồm chất nền vàng, ăng-ten nano vàng và magie florua. Việc sử dụng siêu vật liệu để tạo ra quần áo thông minh ngụy trang cho quân đội có nhiều hứa hẹn hơn các phương pháp thay thế. Do thực tế là siêu vật liệu có chiết suất âm nên chúng rất lý tưởng để ngụy trang các vật thể vì chúng không thể bị phát hiện bởi trinh sát vô tuyến. Tuy nhiên, các siêu vật liệu hiện có chỉ có chiết suất âm so với giá trị gần đúng thứ nhất, dẫn đến sự tái phát thải thứ cấp đáng kể. Mối quan tâm đến việc sử dụng siêu vật liệu trong các ứng dụng kỹ thuật vô tuyến và đặc biệt là trong công nghệ ăng-ten đang tăng lên đáng kể. Các lĩnh vực ứng dụng chính của chúng: sản xuất chất nền và bộ phát trong ăng-ten in để đạt được băng thông rộng và giảm kích thước của các phần tử ăng-ten; bù cho khả năng phản ứng của ăng-ten điện nhỏ trong dải tần số rộng, bao gồm cả những tần số vượt quá giới hạn Chu cơ bản; đạt được định hướng không gian hẹp của các bộ phát cơ bản được ngâm trong siêu môi trường; sản xuất anten sóng bề mặt; giảm ảnh hưởng lẫn nhau giữa các phần tử của mảng ăng-ten, kể cả trong các thiết bị MIMO; phối hợp còi và các loại anten khác. Câu chuyệnNhững tác phẩm đầu tiên theo hướng này có từ thế kỷ 19. Năm 1898, Jagadis Chandra Bose tiến hành thí nghiệm vi sóng đầu tiên để nghiên cứu tính chất phân cực của các cấu trúc cong mà ông tạo ra. Năm 1914, Lindmann nghiên cứu về phương tiện nhân tạo, bao gồm nhiều dây nhỏ định hướng ngẫu nhiên, xoắn thành hình xoắn ốc và nhúng vào một môi trường cố định chúng. Năm 1946–1948 Winston E. Cocke là người đầu tiên chế tạo thấu kính vi sóng sử dụng các quả cầu dẫn điện, đĩa và các dải kim loại được sắp xếp tuần hoàn, về cơ bản tạo thành một môi trường nhân tạo có chiết suất hiệu dụng cụ thể. Mô tả chi tiết về lịch sử của vấn đề có thể được tìm thấy trong tác phẩm của V. M. Agranovich và Yu. N. Gartstein, cũng như trong các ấn phẩm của Vadim Slyusar. Trong hầu hết các trường hợp, lịch sử của vấn đề vật liệu có chiết suất âm bắt đầu bằng việc đề cập đến công trình của nhà vật lý Liên Xô Viktor Veselago, được công bố trên tạp chí Uspekhi Fizicheskikh Nauk năm 1967. Bài báo thảo luận về khả năng tạo ra một loại vật liệu có chiết suất âm, được gọi là "thuận tay trái". Tác giả đi đến kết luận rằng với một loại vật liệu như vậy, hầu hết các hiện tượng quang học truyền sóng đã biết đều thay đổi đáng kể, mặc dù vào thời điểm đó các vật liệu có chiết suất âm vẫn chưa được biết đến. Tuy nhiên, ở đây cần lưu ý rằng trên thực tế, những môi trường “thuận tay trái” như vậy đã được thảo luận sớm hơn nhiều trong tác phẩm của Sivukhin và trong các bài báo của Pafomov. Trong những năm gần đây, đã có những nghiên cứu chuyên sâu về hiện tượng liên quan đến chiết suất âm. Lý do cho việc tăng cường các nghiên cứu này là sự xuất hiện của một loại vật liệu biến đổi nhân tạo mới có cấu trúc đặc biệt, được gọi là siêu vật liệu. Tính chất điện từ của siêu vật liệu được xác định bởi các thành phần cấu trúc bên trong của chúng, được đặt theo một khuôn mẫu nhất định ở cấp độ vi mô. Do đó, tính chất của những vật liệu này có thể được thay đổi để chúng có phạm vi đặc tính điện từ rộng hơn, bao gồm cả chiết suất âm. Ghi chú
|
Siêu vật liệu là vật liệu tổng hợp đặc biệt thu được bằng cách biến đổi nhân tạo các nguyên tố được đưa vào chúng. Cấu trúc được thay đổi ở cấp độ nano, giúp có thể thay đổi kích thước, hình dạng và chu kỳ mạng của nguyên tử cũng như các thông số khác của vật liệu. Nhờ sự biến đổi nhân tạo của cấu trúc, vật thể được sửa đổi có được những đặc tính hoàn toàn mới mà vật liệu có nguồn gốc tự nhiên không có.
Nhờ sự biến đổi trên, độ thấm từ, điện môi cũng như các chỉ số vật lý khác của đối tượng được chọn được sửa đổi. Kết quả là, các vật liệu biến đổi có được các đặc tính quang học, vật lý phóng xạ, điện và các tính chất khác độc đáo, mở ra triển vọng rộng lớn cho sự phát triển của tiến bộ khoa học. Làm việc theo hướng này có thể dẫn đến sự xuất hiện của các thiết bị và phát minh hoàn toàn mới khiến trí tưởng tượng phải kinh ngạc. Đây là áo choàng tàng hình, siêu thấu kính và nhiều thứ khác.
Các loại
Siêu vật liệu thường được phân loại theo mức độ khúc xạ của chúng:
- Một chiều. Ở chúng, mức khúc xạ liên tục chỉ thay đổi theo một hướng duy nhất trong không gian. Những vật liệu như vậy được tạo thành từ các lớp nguyên tố được sắp xếp song song và có độ khúc xạ khác nhau. Họ có thể thể hiện các đặc tính độc đáo chỉ theo một hướng không gian duy nhất, vuông góc với các lớp được chỉ định.
- 2D. Ở chúng, mức khúc xạ liên tục thay đổi chỉ theo 2 hướng không gian. Những vật liệu như vậy trong hầu hết các trường hợp được làm từ các cấu trúc hình chữ nhật có độ khúc xạ m1 và được đặt trong môi trường có độ khúc xạ m2. Đồng thời, các phần tử có khúc xạ m1 được đặt trong mạng 2 chiều có đáy lập phương. Kết quả là những vật liệu như vậy có thể thể hiện tính chất của chúng theo 2 hướng không gian. Nhưng tính hai chiều của vật liệu không chỉ giới hạn ở hình chữ nhật, nó có thể được tạo bằng hình tròn, hình elip hoặc hình dạng tùy ý khác.
- 3D. Ở chúng, độ khúc xạ liên tục thay đổi theo 3 hướng không gian. Những vật liệu như vậy có thể được biểu diễn một cách thông thường dưới dạng một mảng các diện tích theo nghĩa thể tích (hình elip, hình khối, v.v.), nằm trong mạng ba chiều.
Siêu vật liệu cũng được chia thành:
- Dây dẫn. Chúng di chuyển các giả hạt trên những khoảng cách đáng kể nhưng với tổn thất nhỏ.
- Điện môi . Những chiếc gương ở tình trạng gần như hoàn hảo.
- Chất bán dẫn . Ví dụ, đây là những phần tử có thể phản xạ các giả hạt chỉ có bước sóng nhất định.
- Chất siêu dẫn . Trong những vật liệu này, các giả hạt có thể di chuyển những khoảng cách gần như không giới hạn.
Ngoài ra còn có các vật liệu:
- Không cộng hưởng.
- Cộng hưởng.
Sự khác biệt giữa vật liệu cộng hưởng và các phần tử không cộng hưởng là chúng chỉ có hằng số điện môi ở một tần số cộng hưởng nhất định.
Siêu vật liệu có thể được tạo ra với các tính chất điện khác nhau. Do đó, chúng được chia theo tính thấm tương đối của chúng:
- DNG, nghĩa là âm kép - độ thấm là âm.
- DPS, nghĩa là dương gấp đôi - độ thấm là dương.
- Hi-Z, tức là các bề mặt có trở kháng cao.
- SNG, nghĩa là, âm đơn - vật liệu thuộc loại hỗn hợp.
- DZR, nghĩa là gấp đôi số 0 – vật liệu có độ thấm bằng 0.
Thiết bị
Siêu vật liệu là những chất có đặc tính được cung cấp bởi cấu trúc vi mô do con người đưa vào. Chúng được tổng hợp bằng cách kết hợp các cấu trúc tuần hoàn với các hình dạng hình học khác nhau thành một phần tử nhất định có nguồn gốc tự nhiên, làm thay đổi độ nhạy từ và điện môi của cấu trúc ban đầu.
Thông thường, các thể vùi như vậy có thể được coi là các nguyên tử nhân tạo có kích thước khá lớn. Trong quá trình tổng hợp, người tạo ra vật liệu có cơ hội cung cấp cho nó các thông số khác nhau, dựa trên hình dạng và kích thước của cấu trúc, độ biến thiên theo chu kỳ, v.v. Nhờ đó, người ta có thể thu được những vật liệu có những đặc tính đáng kinh ngạc.
Một trong những nguyên tố nổi tiếng nhất như vậy là tinh thể quang tử. Tính đặc thù của chúng được biểu hiện bằng sự thay đổi định kỳ về mức độ khúc xạ trong không gian theo một, hai và ba hướng. Nhờ những thông số này, vật liệu có thể có các vùng có thể nhận hoặc không nhận năng lượng photon.
Kết quả là, nếu một photon có năng lượng nhất định (có tần số và bước sóng cần thiết) không tương ứng với vùng của tinh thể quy định được giải phóng vào chất quy định, thì nó sẽ bị phản xạ theo hướng ngược lại. Nếu một photon có các thông số tương ứng với các thông số của vùng cho phép chạm vào tinh thể thì nó sẽ di chuyển dọc theo nó. Nói cách khác, tinh thể hoạt động như một phần tử lọc quang học. Đó là lý do tại sao những tinh thể này có màu sắc vô cùng phong phú và tươi sáng.
Nguyên lý hoạt động
Đặc điểm chính của vật liệu được hình thành nhân tạo là tính tuần hoàn của cấu trúc của chúng. Nó có thể là 1D, 2D hoặc 3D kết cấu. Trên thực tế, chúng có thể có cấu trúc rất khác nhau. Ví dụ, chúng có thể được sắp xếp thành các phần tử điện môi, giữa chúng sẽ có các vòng dây hở. Trong trường hợp này, các vòng có thể bị biến dạng từ tròn sang vuông.
Để đảm bảo duy trì các đặc tính điện ở bất kỳ tần số nào, các vòng được cấu trúc khép kín. Ngoài ra, các vòng trong một chất thường được sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Việc thực hiện các thông số duy nhất của một chất mới xảy ra khi có sự cộng hưởng tần số của nó, cũng như tần số hiệu dụng của sóng điện từ từ bên ngoài.
Ứng dụng
Siêu vật liệu đang và sẽ tiếp tục được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực sử dụng bức xạ điện từ. Đó là y học, khoa học, công nghiệp, thiết bị vũ trụ và nhiều hơn nữa. Ngày nay, một lượng lớn vật liệu điện từ đang được tạo ra và đang được sử dụng.
- Trong vật lý phóng xạ và thiên văn học, các lớp phủ đặc biệt được sử dụng để bảo vệ kính thiên văn hoặc cảm biến sử dụng bức xạ sóng dài.
- Trong quang học, khúc xạ nhiễu xạ cũng có ứng dụng rộng rãi. Ví dụ, một siêu thấu kính đã được tạo ra, cho phép chúng ta giải quyết vấn đề giới hạn nhiễu xạ của độ phân giải của quang học tiêu chuẩn. Kết quả là mẫu thử nghiệm đầu tiên của ống kính đã cho thấy hiệu suất phi thường; độ phân giải của nó cao gấp 3 lần giới hạn nhiễu xạ hiện có.
- Trong vi điện tử, siêu vật liệu có thể tạo ra một cuộc cách mạng thực sự có thể thay đổi cuộc sống của hầu hết mọi người trên Trái đất. Điều này có thể dẫn đến sự xuất hiện của các thiết bị và ăng-ten dành cho điện thoại di động có quy mô nhỏ hơn nhưng cực kỳ hiệu quả. Nhờ các vật liệu mới, mật độ lưu trữ dữ liệu sẽ có thể được mở rộng, điều đó có nghĩa là sẽ xuất hiện các đĩa và nhiều thiết bị điện tử khác có thể có một lượng bộ nhớ đáng kể;
- Tạo ra tia laser cực kỳ mạnh mẽ. Nhờ sử dụng các vật liệu có cấu trúc được sửa đổi, các tia laser mạnh mẽ đã xuất hiện, với mức tiêu thụ ít năng lượng hơn, tạo ra xung ánh sáng có cường độ mạnh và có sức hủy diệt cao. Do đó, vũ khí laser có thể xuất hiện giúp bắn hạ tên lửa đạn đạo ở khoảng cách hàng chục km.
Laser công nghiệp sẽ có thể cắt hiệu quả không chỉ các vật liệu kim loại có độ dày vài chục mm mà còn cả những vật liệu có độ lớn lớn hơn.
Nhờ các hệ thống laser mới, các máy in 3D công nghiệp mới sẽ xuất hiện có khả năng in các sản phẩm kim loại một cách nhanh chóng và chất lượng cao. Về chất lượng, chúng thực tế sẽ không thua kém các sản phẩm được sản xuất bằng phương pháp gia công kim loại thông thường. Ví dụ, nó có thể là một bánh răng hoặc bộ phận phức tạp khác, việc sản xuất chúng trong điều kiện bình thường sẽ đòi hỏi nhiều thời gian và công sức.
- Tạo ra vật liệu chống phản chiếu mới. Nhờ sự sáng tạo và sử dụng của chúng, sẽ có thể tạo ra máy bay chiến đấu, máy bay ném bom, tàu, tàu ngầm, xe tăng, hệ thống robot, các thiết bị di động như Yars và Sarmat mà các cảm biến và radar của kẻ thù sẽ không nhìn thấy được. Các công nghệ tương tự có thể được sử dụng trên máy bay chiến đấu thế hệ thứ sáu và thứ bảy.
Ngày nay, người ta có thể đảm bảo khả năng “tàng hình” cho công nghệ ở dải tần terahertz. Trong tương lai, sẽ có thể tạo ra công nghệ vô hình trong toàn bộ dải tần, bao gồm cả “có thể nhìn thấy” bằng mắt người. Một giải pháp như vậy là áo choàng tàng hình. Hiện tại, áo tàng hình đã có thể che giấu những vật thể nhỏ, nhưng nó có một số sai sót.
- Khả năng nhìn xuyên tường. Việc sử dụng vật liệu nhân tạo mới sẽ giúp tạo ra các thiết bị cho phép bạn nhìn xuyên tường. Ngày nay, các thiết bị đang được tạo ra có phản ứng từ tính mạnh đối với bức xạ ở phạm vi terahertz.
- Tạo ra một bức tường lừa đảo hoặc những “bản sao” không tồn tại của thiết bị quân sự. Siêu vật liệu cho phép bạn tạo ra ảo ảnh về sự hiện diện của một vật thể ở một nơi mà nó không tồn tại. Ví dụ, các công nghệ tương tự đã được quân đội Nga sử dụng để tạo ra nhiều tên lửa không tồn tại, “bay” bên cạnh tên lửa thật nhằm đánh lừa hệ thống phòng thủ tên lửa của đối phương.
MOSCOW,26 Tháng 9 - RIA Novosti, Olga Kolentsova.Đôi khi những thành tựu của công nghệ hiện đại có thể bị nhầm lẫn với phép thuật. Chỉ thay vì phép thuật, khoa học chính xác mới có tác dụng. Một trong những lĩnh vực nghiên cứu mà kết quả của nó có thể dùng làm minh họa cho các đặc tính của “thuộc tính cổ tích” là sự phát triển và tạo ra siêu vật liệu.
Các nhà toán học đã tìm ra cách biến siêu vật liệu thành “máy tính nhẹ”Các nhà toán học đã phát hiện ra rằng về mặt lý thuyết, các đặc tính của siêu vật liệu có thể được thay đổi để tập hợp nhiều mảnh hợp chất khác nhau có thể thực hiện các phép toán phức tạp trên các chùm ánh sáng đơn lẻ.Từ quan điểm vật lý thuần túy, siêu vật liệu là những cấu trúc được hình thành nhân tạo và được xây dựng đặc biệt, có các đặc tính điện từ hoặc quang học không thể đạt được trong tự nhiên. về hình thức tương tự có thể được xây dựng từ cùng một vật liệu, nhưng một loại sẽ có cách âm khác, và ở một loại khác, bạn thậm chí có thể nghe thấy tiếng thở của người hàng xóm từ căn hộ đối diện. Bí mật là gì? Chỉ có khả năng của người xây dựng để quản lý số tiền được cung cấp.
Hiện tại, các nhà khoa học vật liệu đã tạo ra nhiều cấu trúc có đặc tính không có trong tự nhiên, mặc dù chúng không vượt ra ngoài ranh giới của các định luật vật lý. Ví dụ, một trong những siêu vật liệu được tạo ra có thể điều khiển sóng âm mạnh đến mức chúng giữ được một quả bóng nhỏ trong không khí. Nó bao gồm hai tấm lưới được lắp ráp bằng cách sử dụng những viên gạch chứa đầy các thanh nhựa nhiệt dẻo, được xếp theo hình “con rắn”. Sóng âm thanh được tập trung giống như ánh sáng trong thấu kính và các nhà nghiên cứu tin rằng thiết bị này sẽ cho phép họ phát triển khả năng kiểm soát âm thanh đến khả năng thay đổi hướng của nó, vì giờ đây họ thay đổi đường đi của chùm ánh sáng bằng quang học.
© Minh họa của RIA Novosti. A. Polyanina
© Minh họa của RIA Novosti. A. Polyanina
Một siêu vật liệu khác có thể tự sắp xếp lại. Vật thể được lắp ráp từ nó mà không cần sự trợ giúp của bàn tay, vì sự thay đổi về hình dạng có thể được lập trình! Cấu trúc của vật liệu “thông minh” này bao gồm các hình khối, mỗi bức tường được tạo thành từ hai lớp polyetylen terephthalate bên ngoài và một lớp băng dính hai mặt bên trong. Thiết kế này cho phép bạn thay đổi hình dạng, khối lượng và thậm chí cả độ cứng của vật thể.
Nhưng những đặc tính đáng ngạc nhiên nhất là những đặc tính của siêu vật liệu quang học, chúng có thể thay đổi nhận thức thị giác về thực tế. Chúng “hoạt động” trong phạm vi bước sóng mà mắt người có thể nhìn thấy. Chính từ những vật liệu như vậy, các nhà khoa học đã tạo ra một loại vải có thể chế tạo áo choàng tàng hình.
Đúng, cho đến nay chỉ có thể làm cho một vật thể vi mô trở nên vô hình trong phạm vi quang học.
Khả năng tạo ra một vật liệu có góc khúc xạ âm đã được nhà vật lý Liên Xô Viktor Veselago dự đoán từ năm 1967, nhưng mãi đến nay những ví dụ đầu tiên về cấu trúc thực tế có những đặc tính như vậy mới xuất hiện. Do góc khúc xạ âm nên tia sáng uốn cong xung quanh một vật thể, làm cho nó vô hình. Vì vậy, người quan sát chỉ chú ý đến những gì đang xảy ra sau lưng người mặc chiếc áo choàng “tuyệt vời”.
© Ảnh: Nhóm Xiang Zhang, Phòng thí nghiệm Berkeley/UC Berkeley
© Ảnh: Nhóm Xiang Zhang, Phòng thí nghiệm Berkeley/UC Berkeley
Thành tựu mới nhất trong việc tạo ra siêu vật liệu quang học thuộc về các nhà khoa học Nga của NUST MISIS. Hơn nữa, những “thành phần” phổ biến nhất đã được sử dụng - không khí, thủy tinh và nước. Công trình của các nhà khoa học đã được công bố trên một trong những tạp chí được đánh giá cao nhất trên thế giới, Scientific Reports. nhà xuất bản Thiên nhiên. “Mỗi mẫu như vậy có thể có giá hàng nghìn euro,” Alexey Basharin, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Siêu vật liệu siêu dẫn NUST MISIS, Ứng viên Khoa học Kỹ thuật, nhấn mạnh. — Ngoài ra, xác suất xảy ra lỗi khi hình thành một hệ thống như vậy là rất cao ngay cả khi sử dụng các công cụ có độ chính xác cao nhất... Tuy nhiên, nếu bạn tạo ra một vật liệu quy mô lớn hơn không chứa quang học (400-700 nm) mà là vô tuyến. sóng (dài 7-8 cm), tính chất vật lý của quá trình này sẽ không thay đổi, nhưng công nghệ tạo ra chúng sẽ trở nên đơn giản hơn."
Bằng cách nghiên cứu tính chất của các cấu trúc được tạo ra, các tác giả công trình cho thấy loại chất này có một số ứng dụng thực tế: Trước hết, đây là những cảm biến của các phân tử phức tạp, vì sau này khi đi vào lĩnh vực siêu vật liệu, bắt đầu ánh sáng. Bằng cách này, ngay cả các phân tử đơn lẻ cũng có thể được xác định, điều này có thể có tác động đáng kể đến sự phát triển của khoa học pháp y chẳng hạn. Ngoài ra, siêu vật liệu như vậy có thể được sử dụng làm bộ lọc ánh sáng, cách ly ánh sáng có độ dài nhất định khỏi bức xạ tới và có thể áp dụng làm cơ sở để tạo ra bộ nhớ từ tính siêu tin cậy, vì cấu trúc của các tế bào siêu vật liệu ngăn cản chúng hoạt động. đảo ngược từ hóa với nhau và do đó làm mất thông tin.
Viktor Georgievich Veselago
Gần 40 năm trước, nhà khoa học Liên Xô Viktor Veselago đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của các vật liệu có chiết suất âm:
Siêu vật liệu là những vật liệu tổng hợp có đặc tính được xác định không nhiều bởi các đặc tính vật lý riêng lẻ của các thành phần mà bởi cấu trúc vi mô của chúng. Thuật ngữ "siêu vật liệu" đặc biệt thường được sử dụng liên quan đến những vật liệu tổng hợp có các đặc tính không phải là đặc trưng của các vật thể tìm thấy trong tự nhiên. .
Phương trình sóng
Từ các phương trình Maxwell cho môi trường trung tính, không dẫn điện đồng nhất, suy ra rằng sóng điện từ có thể lan truyền trong trường điện từ với vận tốc pha
Trong chân không, tốc độ này bằng tốc độ ánh sáng
Vậy vận tốc pha truyền um. sóng trong một chất được xác định bởi hằng số từ và điện môi của môi trường.
Tỷ số giữa tốc độ ánh sáng trong chân không và|do| tốc độ ánh sáng trong môi trường - N gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trường
Victor Veselago đưa ra giả thuyết sau:
“Nếu chúng ta không tính đến tổn thất và coi n, ε và μ là các số thực, thì rõ ràng là việc thay đổi đồng thời dấu của ε và μ không ảnh hưởng đến tỷ lệ dưới bất kỳ hình thức nào. Tình trạng này có thể được giải thích theo nhiều cách khác nhau. Đầu tiên, chúng ta có thể thừa nhận rằng tính chất của các chất thực sự không phụ thuộc vào sự thay đổi đồng thời dấu của ε và μ. Thứ hai, có thể hóa ra rằng độ âm đồng thời của ε và μ mâu thuẫn với bất kỳ định luật cơ bản nào của tự nhiên, và do đó các chất có 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.»
Môi trường đẳng hướng “Phải” và “Trái”
Cho một sóng điện từ phẳng truyền trong môi trường không dẫn điện trung tính đồng nhất theo hướng của trục x, mặt sóng của nó vuông góc với hướng truyền.
Các vectơ và tạo thành hệ thống thuận tay phải có phương truyền sóng, tại một điểm cố định trong không gian chúng thay đổi theo thời gian theo quy luật điều hòa trong một pha.
Những môi trường như vậy theo đó được gọi là “cánh hữu”.
Các môi trường trong đó ε và μ đều âm được gọi là “thuận tay trái”.
Trong các môi trường như vậy, các vectơ điện, từ và sóng tạo thành một hệ thống các vectơ thuận tay trái.
Thật vậy, nếu bạn dùng tay đẩy một con lắc, nó sẽ ngoan ngoãn chuyển động theo hướng đẩy và bắt đầu dao động với cái gọi là tần số cộng hưởng. Bằng cách đẩy con lắc cùng lúc với chuyển động lắc, bạn có thể tăng biên độ dao động. Nếu bạn đẩy nó với tần số cao hơn thì các cú sốc sẽ không còn trùng với các dao động cùng pha nữa và đến một lúc nào đó bàn tay sẽ bị một con lắc đang chuyển động về phía nó đập vào tay. Tương tự, các electron trong một vật liệu có chiết suất âm lệch pha và bắt đầu chống lại “lực đẩy” của trường điện từ.
Do đó, vào năm 1968, Veselago đã chỉ ra rằng một chất có ε và μ âm sẽ có chiết suất n nhỏ hơn 0.
Xác nhận thử nghiệm.
Các electron trong vật liệu chuyển động qua lại dưới tác dụng của điện trường và chuyển động theo vòng tròn dưới tác dụng của từ trường. Mức độ tương tác được xác định bởi hai đặc tính của chất: hằng số điện môi ε và độ thấm từ μ. Phần đầu tiên cho thấy mức độ phản ứng của các electron với điện trường, phần thứ hai - mức độ phản ứng với từ trường. Phần lớn các vật liệu có ε và μ lớn hơn 0.
Âm ε hoặc μ xảy ra khi các electron trong vật liệu chuyển động theo hướng ngược lại với lực tạo ra bởi điện trường và từ trường. Mặc dù hành vi này có vẻ nghịch lý, nhưng việc làm cho các electron chuyển động ngược lại với lực của điện trường và từ trường không phải là điều khó khăn.
Ở đâu và làm thế nào để tìm kiếm các chất như vậy?
Sự xác nhận thực nghiệm đầu tiên về khả năng tạo ra một vật liệu có chiết suất âm được thực hiện vào năm 2000 tại Đại học California ở San Diego (UCSD). Do các khối xây dựng cơ bản của siêu vật liệu phải nhỏ hơn nhiều so với bước sóng nên các nhà nghiên cứu đã làm việc với bức xạ có bước sóng centimet và sử dụng các nguyên tố có kích thước vài mm.
Chìa khóa của loại phản ứng tiêu cực này là sự cộng hưởng, tức là xu hướng rung ở một tần số cụ thể. Nó được tạo ra một cách nhân tạo trong siêu vật liệu bằng cách sử dụng các mạch cộng hưởng cực nhỏ mô phỏng phản ứng của một chất với từ trường hoặc điện trường. Ví dụ, trong một bộ cộng hưởng vòng bị hỏng (RRR), từ thông đi qua một vòng kim loại sẽ tạo ra dòng điện tròn trong đó, tương tự như dòng điện gây ra từ tính của một số vật liệu. Và trong một mạng lưới các thanh kim loại thẳng, điện trường tạo ra dòng điện chạy dọc theo chúng. Các electron tự do trong các mạch như vậy dao động với tần số cộng hưởng, tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của dây dẫn. Nếu một trường có tần số thấp hơn tần số cộng hưởng được áp dụng, phản ứng dương bình thường sẽ được quan sát thấy. Tuy nhiên, khi tần số tăng lên, phản hồi trở nên âm, giống như trường hợp một con lắc chuyển động về phía bạn nếu bạn đẩy nó với tần số cao hơn tần số cộng hưởng. Do đó, các dây dẫn trong một dải tần số nhất định có thể phản ứng với điện trường như một môi trường có âm ε và các vòng có vết cắt có thể mô phỏng vật liệu có âm μ. Những dây dẫn và vòng có vết cắt này là những khối cơ bản cần thiết để tạo ra nhiều loại siêu vật liệu, bao gồm cả những loại mà Veselago đang tìm kiếm.
Các nhà khoa học California đã thiết kế một siêu vật liệu bao gồm các dây dẫn xen kẽ và RKR, được lắp ráp dưới dạng lăng kính. Các dây dẫn cung cấp ε âm, và các vòng có vết cắt cung cấp âm μ. Kết quả lẽ ra phải là chiết suất âm. Để so sánh, một lăng kính có hình dạng giống hệt được làm từ Teflon, với n = 1,4. Các nhà nghiên cứu hướng một chùm bức xạ vi sóng vào rìa lăng kính và đo cường độ sóng phát ra từ nó ở các góc khác nhau. Đúng như dự đoán, chùm tia bị khúc xạ dương bởi lăng kính Teflon và khúc xạ âm bởi lăng kính siêu vật liệu.
Hậu quả.
Khúc xạ tại mặt phân cách giữa hai môi trường có các mặt khác nhau.
Siêu thấu kính.
Một tấm siêu vật liệu song song mặt phẳng đơn giản với n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.
Tấm phẳng song song làm bằng siêu vật liệu có n<0
Trong môi trường phù hợp, không gian ảnh của thấu kính không giống với vật thể vì nó được hình thành không có sóng phù du. Trong môi trường bên trái, sóng biến mất không suy giảm, ngược lại, biên độ của chúng tăng khi sóng di chuyển ra xa vật, do đó hình ảnh được hình thành với sự tham gia của sóng biến mất, có thể thu được hình ảnh có độ phân giải tốt hơn giới hạn nhiễu xạ. Có thể khắc phục giới hạn nhiễu xạ khi tạo ra các hệ thống quang học như vậy, sử dụng chúng để tăng độ phân giải của kính hiển vi, tạo ra các vi mạch có kích thước nano và tăng mật độ ghi trên phương tiện lưu trữ quang học.
Áp suất âm
Sự phản xạ của tia truyền trong môi trường có 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.
Tin tức
Vào đầu năm 2007, việc tạo ra một siêu vật liệu có chiết suất âm trong vùng khả kiến đã được công bố. Vật liệu này có chiết suất ở bước sóng 780 nm bằng −0,6
Vào năm 2011, các bài báo đã được xuất bản chỉ ra rằng một công nghệ đã được thử nghiệm ở Hoa Kỳ cho phép sản xuất hàng loạt tấm siêu vật liệu lớn.
Siêu vật liệu bằng cách in
Phần kết luận
Việc nghiên cứu và tạo ra các siêu vật liệu mới với những đặc tính độc đáo sẽ cho phép nhân loại tiến bộ vượt bậc trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ trong tương lai gần. Điều này bao gồm nghiên cứu thiên văn nhờ các siêu thấu kính vượt qua giới hạn nhiễu xạ của độ phân giải; các nguồn năng lượng thay thế - các tấm pin mặt trời mới với hiệu suất trên 20% sẽ xuất hiện; vật liệu - vô hình, v.v. Số lượng hướng nghiên cứu là rất lớn và quan trọng nhất là chúng thành công.
Vì vậy, thánh đường của tinh thể giám sát
Ánh sáng nhện tận tâm,
Tháo xương sườn, chúng một lần nữa
Thu thập thành một bó duy nhất.
O. Mandelstam
Câu hỏi của trẻ em “Một kg bông gòn hay một kg mạt sắt, cái nào nặng hơn?” sẽ chỉ khiến một học sinh lớp một chậm hiểu bối rối. Sẽ thú vị hơn nhiều khi suy đoán về chủ đề: “Vật liệu mà chúng ta sẽ nhận được sẽ có những đặc tính gì nếu chúng ta trộn cẩn thận bông gòn nghiền mịn và mạt sắt?” Rõ ràng về mặt trực giác: để trả lời câu hỏi này, bạn cần nhớ các tính chất của sắt và bông gòn, sau đó bạn có thể tự tin nói rằng vật liệu thu được rất có thể sẽ phản ứng với sự hiện diện của nam châm và nước. Tuy nhiên, có phải các đặc tính của vật liệu nhiều pha luôn được xác định duy nhất bởi các đặc tính của các thành phần tạo nên nó? Tôi muốn trả lời câu hỏi này một cách tích cực, bởi vì thật khó để tưởng tượng, chẳng hạn, một hỗn hợp chất điện môi (ví dụ, mùn cưa và bóng xốp) có thể dẫn dòng điện.
“Điều này chỉ xảy ra trong truyện cổ tích thôi!” - học sinh lớp một sẽ cố gắng phục hồi bản thân, nhớ lại vô số thầy phù thủy và phù thủy trong truyện cổ tích dành cho trẻ em, những người bằng cách trộn tất cả các loại nấm ruồi, chân ếch và cánh dơi, đã nhận được bột ma thuật, nói đúng ra là các đặc tính ma thuật của chúng , không phải là đặc điểm của nấm ruồi và chân ếch. Tuy nhiên, thật đáng ngạc nhiên, khoa học hiện đại biết các ví dụ về cách kết hợp các vật liệu khá thông thường có thể tạo ra các vật thể có đặc tính không những không có trong các thành phần được sử dụng mà về nguyên tắc, không thể tìm thấy trong tự nhiên và, như nó có vẻ thoạt nhìn, đều bị cấm bởi các định luật vật lý. “Đây là một điều kỳ diệu!” học sinh lớp một sẽ nói. “Không, đây là siêu vật liệu!” - một nhà khoa học hiện đại sẽ phản đối. Và cả hai sẽ đúng theo cách riêng của mình, bởi vì theo quan điểm của khoa học cổ điển, siêu vật liệu có khả năng tạo ra những điều kỳ diệu thực sự. Tuy nhiên, quá trình tạo ra siêu vật liệu cũng tương tự như phép thuật, bởi vì Chỉ trộn các thành phần của siêu vật liệu thôi là chưa đủ; chúng phải có cấu trúc phù hợp.
Siêu vật liệu là những vật liệu tổng hợp có đặc tính được xác định không nhiều bởi các đặc tính vật lý riêng lẻ của các thành phần mà bởi cấu trúc vi mô của chúng. Thuật ngữ “siêu vật liệu” đặc biệt thường được áp dụng cho những vật liệu tổng hợp có những đặc tính không phải là đặc trưng của các vật thể tìm thấy trong tự nhiên.
Một trong những loại siêu vật liệu được tranh luận sôi nổi nhất gần đây là những vật thể có chiết suất âm. Trong khóa học vật lý ở trường, người ta đã biết rõ rằng chiết suất của môi trường ( N) là đại lượng biểu thị vận tốc pha của bức xạ điện từ trong môi trường gấp bao nhiêu lần ( V.) nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không ( c): n=c/V. Chiết suất của chân không bằng 1 (trên thực tế, theo định nghĩa), trong khi đối với hầu hết các môi trường quang học thì chiết suất này lớn hơn. Ví dụ, thủy tinh silicat thông thường có chiết suất 1,5, nghĩa là ánh sáng truyền trong nó với tốc độ nhỏ hơn 1,5 lần so với trong chân không. Điều quan trọng cần lưu ý là tùy thuộc vào bước sóng của bức xạ điện từ, giá trị N có thể thay đổi.
Thông thường, chiết suất của vật liệu được ghi nhớ khi xem xét hiệu ứng khúc xạ ánh sáng tại giao diện giữa hai môi trường quang học. Hiện tượng này được mô tả bằng định luật Snell:
n 1 sinα = n 2 sinβ,
Trong đó α là góc tới của ánh sáng truyền tới môi trường có chiết suất n 1 và β là góc khúc xạ của ánh sáng trong môi trường có chiết suất n 2.
Đối với tất cả các môi trường có thể tìm thấy trong tự nhiên, các tia tới và ánh sáng khúc xạ nằm ở các phía đối diện với pháp tuyến được khôi phục về mặt phân cách giữa môi trường tại điểm khúc xạ (Hình 1a). Tuy nhiên, nếu chúng ta chính thức thay n 2 vào định luật 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).
Khả năng lý thuyết về sự tồn tại của những vật liệu độc đáo có chiết suất âm đã được nhà vật lý Liên Xô V. Veselago chỉ ra gần 40 năm trước. Thực tế là chiết suất có liên quan đến hai đặc tính cơ bản khác của vật chất, hằng số điện môi ε và độ thấm từ μ, bằng một mối quan hệ đơn giản: n 2 = ε·μ. Mặc dù thực tế là phương trình này thỏa mãn cả giá trị dương và âm của n, nhưng các nhà khoa học trong một thời gian dài đã từ chối tin vào ý nghĩa vật lý của giá trị sau - cho đến khi Veselago chỉ ra rằng n< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.
Các vật liệu tự nhiên có hằng số điện môi âm được biết đến rộng rãi - bất kỳ kim loại nào ở tần số cao hơn tần số plasma (tại đó kim loại trở nên trong suốt). Trong trường hợp này 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 .
Do đó, có thể có các hệ thống có phản ứng âm đối với cả thành phần điện và từ của bức xạ điện từ. Các nhà nghiên cứu người Mỹ dưới sự lãnh đạo của David Smith là những người đầu tiên kết hợp cả hai hệ thống trong một vật liệu vào năm 2000. Siêu vật liệu được tạo ra bao gồm các thanh kim loại chịu trách nhiệm về 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.
Từ quan điểm vật lý, siêu vật liệu có chiết suất âm là đối cực của vật liệu thông thường. Trong trường hợp chiết suất âm, vận tốc pha của bức xạ điện từ bị đảo ngược; sự dịch chuyển Doppler xảy ra theo hướng ngược lại; Bức xạ Cherenkov từ một hạt tích điện chuyển động không xảy ra về phía trước mà xảy ra ngược lại; thấu kính hội tụ trở nên phân kỳ và ngược lại... Và tất cả những điều này chỉ là một phần nhỏ trong những hiện tượng đáng kinh ngạc có thể xảy ra đối với các siêu vật liệu có chiết suất âm. Việc sử dụng thực tế các vật liệu như vậy trước hết gắn liền với khả năng tạo ra quang học terahertz dựa trên chúng, từ đó sẽ dẫn đến sự phát triển của khí tượng học và hải dương học, sự xuất hiện của các radar với các đặc tính mới và khả năng hoạt động trong mọi thời tiết. công cụ điều hướng, thiết bị chẩn đoán từ xa về chất lượng của các bộ phận và hệ thống an toàn cho phép bạn phát hiện vũ khí dưới quần áo, cũng như các thiết bị y tế độc đáo.
Văn học
DR Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Môi trường tổng hợp có độ thấm và độ thấm âm đồng thời, Thư đánh giá vật lý 84 (2000) 4184.