Metamateriaalia

Metamateriaali on komposiittimateriaali , jonka ominaisuuksia eivät määrää niinkään sen alkuaineiden ominaisuudet, vaan keinotekoisesti luotu jaksollinen rakenne [1] [2] . Ne ovat keinotekoisesti muodostettuja ja erikoisrakenteisia ympäristöjä , joilla on sähkömagneettisia tai akustisia ominaisuuksia, joita on teknisesti vaikea saavuttaa tai joita ei löydy luonnosta [3] [4] . Tällaiset ominaisuudet tulisi ymmärtää väliaineen fyysisten parametrien erityisarvoina, esimerkiksi sekä dielektrisen ε:n että magneettisen negatiivisina arvoina.μ läpäisevyys, näiden parametrien jakautumisen avaruudellinen strukturointi (lokalisointi) (erityisesti jaksollinen muutos taitekertoimessa kuten fotonikiteissä ), mahdollisuus ohjata väliaineen parametreja ulkoisten vaikutusten seurauksena (metamateriaalit sähköisesti kontrolloitu dielektrinen ja magneettinen permeabiliteetti) jne. [5]

Etuliite "meta-" on käännetty kreikasta "ulkopuoliseksi", mikä antaa meille mahdollisuuden tulkita termiä "metamateriaalit" rakenteiksi, joiden tehokkaat sähkömagneettiset ominaisuudet ylittävät niiden muodostavien komponenttien ominaisuudet [3] [4] . Metamateriaaleja syntetisoidaan tuomalla alkuperäiseen luonnonmateriaaliin erilaisia jaksollisia rakenteita, joilla on erilaisia geometrisia muotoja, jotka muuttavat alkuperäisen materiaalin dielektristä ja magneettista χ-herkkyyttä. Hyvin karkeasti arvioituna tällaisia insertioita voidaan pitää erittäin suurina atomeina, jotka on lisätty keinotekoisesti alkuperäiseen materiaaliin. Metamateriaalien kehittäjällä on niiden synteesin aikana mahdollisuus valita (muuntaa) erilaisia vapaita parametreja (rakenteiden koot, muoto, vakio- ja muuttuva jakso niiden välillä jne.). $\chi _{e}$

Ominaisuudet

Yksi metamateriaalien mahdollisista ominaisuuksista on negatiivinen (tai vasemmanpuoleinen) taitekerroin , joka ilmenee, kun dielektrinen ja magneettinen permeabiliteetti ovat samanaikaisesti negatiivisia [3] [4] [6] .

Tehosteen perusteet

Sähkömagneettisten aaltojen etenemisen yhtälö isotrooppisessa väliaineessa on muotoa:

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

(yksi)

missä on aaltovektori, on aallon taajuus, on valon nopeus, on taitekertoimen neliö. Näistä yhtälöistä on selvää, että väliaineen dielektrisen ja magneettisen läpäisevyyden merkkien samanaikainen muutos ei vaikuta näihin suhteisiin millään tavalla. $k$ $\omega$ $c$ $n^{2}=\epsilon \mu$ $\epsilon$ $\mu$

"Oikea" ja "vasen" isotrooppinen media

Yhtälö (1) saatiin Maxwellin teorian perusteella . Väliaineille, joissa väliaineen dielektrinen ja magneettinen suskeptiviteetit ovat samanaikaisesti positiivisia, kolme sähkömagneettisen kentän vektoria - sähköinen , magneettinen ja aalto - muodostavat ns. oikeat vektorit: $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

\left[{\vec {k}}{\vec {E}}\right]=(\omega /c)\mu {\vec {H}},

\left[{\vec {k}}{\vec {H}}\right]=-(\omega /c)\epsilon {\vec {E}}.

Tällaisia ympäristöjä kutsutaan vastaavasti "oikeiksi".

Ympäristöjä, joille , ovat samanaikaisesti negatiivisia, kutsutaan "vasemmiksi". Tällaisille välineille sähkö- , magneetti- ja aaltovektorit muodostavat vasemmanpuoleisten vektoreiden järjestelmän. $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

Englanninkielisessä kirjallisuudessa kuvattuja materiaaleja voidaan kutsua oikea- ja vasenkätisiksi materiaaleiksi tai lyhennettyinä RHM (oikea) ja LHM (vasen).

Energian siirto oikealla ja vasemmalla aallolla

Aallon kuljettama energiavirta määräytyy Poynting-vektorin avulla, joka on yhtä suuri kuin . Vektori muodostaa aina oikean kolmikon vektorien kanssa . Siten oikeille aineille ja ne on suunnattu yhteen suuntaan ja vasemmalle - eri suuntiin. Koska vektori osuu suuntaisesti vaihenopeuden kanssa, on selvää, että vasemmalla olevat aineet ovat aineita, joilla on ns. negatiivinen vaihenopeus. Toisin sanoen vasenkätisissä aineissa vaihenopeus on päinvastainen kuin energiavirta. Tällaisissa aineissa havaitaan esimerkiksi käänteistä Doppler-ilmiötä ja taaksepäin aaltoja . ${\vec {S}}$ ${\vec {S}}=(c/4\pi )\left[{\vec {E}}{\vec {H}}\oikea]$ ${\vec {S}}$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ ${\vec {S}}$ ${\vec {k}}$ ${\vec {k}}$

Vasemman ympäristön dispersio

Ympäristön negatiivisen indikaattorin olemassaolo on mahdollista, jos sillä on taajuusdispersio. Jos samaan aikaan , , niin aallon energia on negatiivinen (!). Ainoa tapa välttää tämä ristiriita on, jos välineellä on taajuusdispersio ja . $\epsilon<0$ $\mu<0$ $W=\epsilon E^{2}+\mu H^{2}$ $\partial \epsilon /\partial \omega$ $\partial \mu /\partial \omega$

Esimerkkejä aallon etenemisestä vasemmassa väliaineessa

Superlinssit

John Pendry [7] ja hänen kollegansa Physical Review Lettersissä väittävät, että on mahdollista ylittää tavanomaisen optiikan erotuskyvyn diffraktioraja materiaaleissa, joilla on negatiivinen taitekerroin . Oikeassa ympäristössä linssin kuvatila ei ole identtinen itse kohteen kanssa, koska se muodostuu ilman vaimennettuja aaltoja . Vasemmassa väliaineessa vaimennetut aallot eivät vaimene, päinvastoin niiden amplitudi kasvaa aallon siirtyessä pois kohteesta, joten kuva muodostuu vaimennettujen aaltojen mukana, mikä voi mahdollistaa paremman resoluution kuvien saamisen kuin diffraktioraja .

Ensimmäisen kokeellisesti osoitetun superlinssin, jolla oli negatiivinen taitekerroin, resoluutio oli kolme kertaa parempi kuin diffraktioraja. Koe suoritettiin mikroaaltotaajuuksilla [8] . Optisella alueella superlinssi otettiin käyttöön vuonna 2005 [9] [10] . Se oli linssi, joka ei käyttänyt negatiivista taittoa, mutta ohutta hopeakerrosta käytettiin tehostamaan vaimenevia aaltoja.

Viimeisin[ selventää ] Superlinssien kehitystä tarkastellaan CE&N:ssä [11] . Superlinssin luomiseksi käytetään vuorotellen substraatille kerrostettuja hopea- ja magnesiumfluoridikerroksia, joihin sitten leikataan nanohila. Tuloksena syntyi kolmiulotteinen komposiittirakenne, jonka taitekerroin on negatiivinen lähi-infrapuna-alueella [12] . Toisessa tapauksessa metamateriaali luotiin nanolangoilla, joita kasvatettiin sähkökemiallisesti huokoiselle alumiinioksidipinnalle [13] .

Vuoden 2007 alussa julkistettiin sellaisen metamateriaalin luominen, jonka taitekerroin on negatiivinen näkyvällä alueella. Materiaalin taitekerroin aallonpituudella 780 nm oli −0,6 [14] .

Metapinnat

Metamateriaalien kaksiulotteinen analogi on metapinnat. Metapinnat soveltuvat erityisen hyvin valon hallintaan, koska niiden häviöt ovat yleensä pienemmät kuin bulkkimetamateriaalit ja niitä on helpompi valmistaa [15] .

Valon linssinä käytettyä metapintaa kutsutaan metaleeniksi. Se on pieni koko, litteä muoto, paksuus enintään mikrometriä, peitetty nanorakenteilla ulkonemien tai reikien muodossa. [16]

Sovellus

Ilmoitettu metamateriaalin luominen, jolla on negatiivinen taitekerroin näkyvällä alueella ja joka pystyy piilottamaan kolmiulotteisen esineen. Materiaali koostuu kultaisista nanoantenneista, joita tukee kulta ja magnesiumfluoridi [17] . Metamateriaalien käyttö armeijan naamiointiälyvaatteiden luomisessa on lupaavampaa kuin vaihtoehtoiset lähestymistavat [18] .

Negatiivisen taitekertoimensa ansiosta metamateriaalit ovat ihanteellisia esineiden peittämiseen , koska radioäly ei pysty havaitsemaan niitä . Kuitenkin olemassa olevilla metamateriaaleilla vain ensimmäisessä approksimaatiossa on negatiivinen taitekerroin, mikä johtaa merkittäviin toissijaisiin uudelleenemissioihin [19] .

Kiinnostus metamateriaalien käyttöön radiosovelluksissa ja erityisesti antennitekniikassa kasvaa . Niiden pääasialliset sovellusalueet [3] [4] [20] : substraattien ja emitterien valmistus painetuissa antenneissa laajakaistan saavuttamiseksi ja antennielementtien koon pienentämiseksi; sähköisesti pienten antennien reaktiivisuuden kompensointi laajalla taajuuskaistalla, mukaan lukien ne, jotka ylittävät Chu:n perusrajan [21] ; metamediaan upotettujen elementaaristen emitterien kapean avaruudellisen orientaation saavuttaminen; pinta-aaltoantennien valmistus; antenniryhmien elementtien keskinäisen vaikutuksen vähentäminen, myös MIMO - laitteissa; vastaava torvi ja muun tyyppiset antennit.

Historia

Ensimmäiset teokset tähän suuntaan ovat peräisin 1800-luvulta. Vuonna 1898 Jagadis Chandra Bose suoritti ensimmäisen mikroaaltokokeen tutkiakseen luomiensa rakenteiden polarisaatio- ominaisuuksia kaarevalla konfiguraatiolla [3] [4] . Vuonna 1914 Lindman toimi keinotekoisilla väliaineilla, jotka olivat joukko satunnaisesti suunnattuja pieniä johtoja, jotka oli kierretty spiraaliksi ja upotettu väliaineeseen, joka kiinnitti ne [3] [4] . Vuosina 1946-1948 Winston E. Kok loi ensimmäisenä mikroaaltolinssejä käyttämällä johtavia palloja, kiekkoja ja ajoittain sijaitsevia metalliliuskoja, jotka itse asiassa muodostivat keinotekoisen väliaineen, jolla oli tietty tehollinen taitekerroin [3] [4] . Yksityiskohtainen kuvaus ongelman historiasta löytyy V. M. Agranovichin ja Yu. N. Gartshteinin työstä [22] sekä Vadim Slyusarin [3] [4] julkaisuista . Useimmissa tapauksissa negatiivisen taitekertoimen omaavien materiaalien ongelman historia alkaa mainitsemalla Neuvostoliiton fyysikon Viktor Veselagon työ , joka julkaistiin Uspekhi fizicheskikh nauk -lehdessä vuonna 1967 [23] . Artikkelissa puhuttiin mahdollisesta materiaalista, jolla on negatiivinen taitekerroin ja jota kutsuttiin "vasenkätiseksi". Kirjoittaja tuli siihen tulokseen, että tällaisella materiaalilla lähes kaikki tunnetut aallon etenemisen optiset ilmiöt muuttuvat merkittävästi, vaikka tuolloin negatiivisen taitekertoimen omaavia materiaaleja ei vielä tunnettu. Tässä on kuitenkin huomioitava, että itse asiassa tällaisia "vasemmanpuoleisia" medioita käsiteltiin paljon aikaisemmin Sivukhinin [24] teoksissa ja Pafomovin [25] papereissa .

Viime vuosina on tehty intensiivisiä tutkimuksia negatiiviseen taitekertoimeen liittyvistä ilmiöistä [26] . Syynä näiden tutkimusten tehostamiseen oli uuden luokan keinotekoisesti muunneltuja erityisrakenteisia materiaaleja, joita kutsutaan metamateriaaleiksi. Metamateriaalien sähkömagneettiset ominaisuudet määrittävät niiden sisäisen rakenteen elementit, jotka on sijoitettu tietyn kaavion mukaisesti mikroskooppiselle tasolle. Siksi näiden materiaalien ominaisuuksia voidaan muokata niin, että niillä on laajempi valikoima sähkömagneettisia ominaisuuksia, mukaan lukien negatiivinen taitekerroin.

Veselago ennusti, että tietyt optiset ilmiöt olisivat aivan erilaisia materiaaleissa, joilla on negatiivinen taitekerroin. Ehkä silmiinpistävin niistä on taittuminen , sähkömagneettisen aallon taipuma sen kulkiessa kahden väliaineen välisen rajapinnan läpi. Normaaleissa olosuhteissa aalto ilmestyy tätä rajaa kohtisuorassa kulkevan viivan vastakkaiselle puolelle ( normaali pintaan nähden). Kuitenkin, jos yhdellä materiaalilla on positiivinen taitekerroin ja toisella negatiivinen taitekerroin, aalto näkyy samalla puolella pintanormaalia kuin tuleva aalto. Myös metamateriaalien erityinen ominaisuus on vahva dispersio .

Komposiittien mekaaniset ominaisuudet

Esimerkkejä metamateriaaleista, joilla on epätavalliset mekaaniset ominaisuudet, ovat "käänteisen hunajakennon" [27] pohjalta luodut aukseettiset materiaalit (materiaalit, joilla on negatiivinen Poissonin suhde) ja kerrosmateriaalit, joilla kerrosten erityisominaisuuksien valinnalla on negatiivinen. kerrosten laajenemiskerroin [28] .

Katso myös

Fotoninen kristalli

Muistiinpanot

↑ Engheta, Nader; Ziolkowski, Richard W. Metamateriaalit: Physics and Engineering Explorations . - John Wiley & Sons & IEEE Press , 2006. - P. xv, 3-30, 37, 143-150, 215-234, 240-256. - 440p. - ISBN 978-0-471-76102-0 .
↑ David R. Smith. Metamateriaalit (englanniksi) . metaryhmä . Duken yliopisto . Haettu 22. elokuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 7. syyskuuta 2015.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Antennitekniikan metamateriaalit: historia ja perusperiaatteet // Elektroniikka: tiede, tekniikka, liiketoiminta. - 2009. - Nro 7 . - S. 70-79 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamateriaalit antennitekniikassa: perusperiaatteet ja tulokset // First Mile. Last Mile (Lisäosa lehteen "Electronics: Science, Technology, Business"). - 2010. - Nro 3-4 . - S. 44-60 .
↑ PostNauka Ildar Gabitov 29. maaliskuuta 2017 Metamateriaalit arkistoitu 23. syyskuuta 2018 Wayback Machinessa
↑ Orlov A. A., Yankovskaya E. A., Belov P. A., Zhukovsky S. V. Plasmonisen monikerroksen materiaaliparametrien erottaminen heijastus- ja lähetyskertoimista // Tieteellinen ja tekninen tiedote tietotekniikasta, mekaniikasta ja optiikoista. - ITMO Yliopisto , 2014. - 1-2 ( Numero 1 (89) ). — ISSN 2226-1494 .
↑ Julkaisut - Professori Sir John Pendry . Imperial College London . Haettu 22. elokuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 6. syyskuuta 2015.
↑ A. Grbic, G. V. Eleftheriades. Diffraktiorajan ylittäminen tasomaisella vasenkätisellä siirtolinjalinssillä // Physical Review Letters . - 2004. - Voi. 92. - P. 117403. - doi : 10.1103/PhysRevLett.92.117403 .
↑ Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang. Sub - diffraktiorajoitettu optinen kuvantaminen hopeisella superlinssillä // Tiede . - 2005. - 22. huhtikuuta (nide 308, nro 5721 ). - s. 534-537. - doi : 10.1126/tiede.1108759 . — PMID 15845849 .
↑ Sarah Young. Uusi superlinssi avaa oven nanomittakaavan optiseen kuvantamiseen, korkeatiheyksiseen optoelektroniikkaan . Eurek Alert! Science News (21. huhtikuuta 2005). Haettu 22. elokuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 24. syyskuuta 2015.
↑ Metamateriaalit taivuttavat valoa uusille tasoille // Kemian ja tekniikan uutisia. - 2008. - 18. elokuuta (osa 86, nro 33 ). - s. 25.
↑ J. Valentine; Valentine, J.; Zhang, S.; Zentgraf, T.; Ulin-Avila, E.; Genov, D. A.; Bartal, G.; Zhang, X. et ai. Kolmiulotteinen optinen metamateriaali negatiivisella taitekertoimella // Nature: Journal. - 2008. - Voi. 455 , no. 7211 . - s. 376-379 . - doi : 10.1038/luonto07247 . — PMID 18690249 .
↑ J. Yao; Yao, J.; Liu, Z.; Liu, Y.; Wang, Y.; Sun, C.; Bartal, G.; Stacy, A. M.; Zhang, X. et ai. Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires (englanniksi) // Science : Journal. - 2008. - Voi. 321 , no. 5891 . - s. 930 . - doi : 10.1126/tiede.1157566 . — PMID 18703734 .
↑ Kerry Gibson. Metamateriaalien havaittiin toimivan näkyvässä valossa . Eurek Alert! Science News (4. tammikuuta 2007). Haettu 22. elokuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 15. helmikuuta 2012.
↑ M. A. Remnev, V. V. Klimov. Metapinnat: uusi näkymä Maxwellin yhtälöihin ja uudet valonsäätömenetelmät // UFN. - 2018. - T. 188. - S. 169-205. - doi : 10.3367/UFNr.2017.08.038192 .
↑ Alberto Moscatelli. Pienet linssit pienoislaitteille // Tieteen maailmassa . - 2020. - Nro 1 . - S. 11-12 .
↑ Näkymättömyyden viitta on tullut todeksi (pääsemätön linkki) . tan-blog.ru. Haettu 22. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 4. maaliskuuta 2016. (määrätön)
↑ Vadim Slyusar. Näkymätön mies? Helppo nakki! // Rakentaja. - 2002. - Nro 11 .
↑ Pendry JB, Smith DR. Superlinssin etsintä // Scientific American . - Springer Nature , 2006. - Voi. 295. - s. 60-67 . — ISSN 0036-8733 .
↑ Vadim Slyusar. Metamateriaalit antennisuunnittelussa // Elektroniikka: tiede, teknologia, liiketoiminta. - 2009. - Nro 8 . - S. 66-70 .
↑ Vadim Slyusar. 60 vuotta sähköisesti pienten antennien teoriasta. Joitakin tuloksia // Elektroniikka: tiede, teknologia, liiketoiminta. - 2006. - Nro 7 . - S. 10-19 .
↑ V. M. Agranovich, Yu. N. Gartshtein. Valon spatiaalinen dispersio ja negatiivinen taittuminen // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Venäjän tiedeakatemia , 2006. - lokakuu ( nide 176 ). - S. 1051-1068 . - doi : 10.3367/UFNr.0176.200610c.1051 . (Venäjän kieli)
↑ Veselago, V. G. Aineiden, joilla on samanaikaisesti negatiiviset arvot ε ja μ , elektrodynamiikka // Uspekhi fizicheskikh nauk . — M .: Nauka . Fysikaalisen ja matemaattisen kirjallisuuden pääpainos, 1967. - Heinäkuu ( v. 92 ). - S. 517-526 . - doi : 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517 . (Venäjän kieli)
↑ Sivukhin D.V. // Optics and Spectroscopy, Vol. 3, S. 308 (1957)
↑ Pafomov V. E. // ZhETF, V. 36, S. 1853 (1959); T. 33, S. 1074 (1957); T. 30, S. 761 (1956)
↑ Seitsemän löytöä, jotka muuttavat elämäämme seuraavien 10 vuoden aikana . Arkistokopio 12. maaliskuuta 2016 Wayback Machinella SCIENCE IN FOCUS -sarjasta Echo of Moscow, joulukuu 2014
↑ A. G. Kolpakov. [Elsevier http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021892885900115 Joustavien kehysten keskimääräisten ominaisuuksien määrittäminen] // Applied Mathematics and Mechanics. - 1985. - Nro 6 . - S. 969-977 . Arkistoitu alkuperäisestä 24. syyskuuta 2015.
↑ Kolpakov A. G., Rakin S. I. Ongelmasta syntetisoida yksiulotteinen komposiittimateriaali, jolla on tietyt ominaisuudet // Zhurn PMTF. - 1986. - Nro 6 . - S. 143-150 .

Kirjallisuus

Michio Kaku . I.2. Näkymättömyys // Mahdottoman fysiikka = Michio Kaku. Mahdoton fysiikka. - M . : Alpina tietokirjallisuus , 2009. - 456 s. - ISBN 978-5-91671-024-3 .

Linkit

DNA-origami auttoi luomaan itsestään koontuvan näkymätöntä materiaalia . Lenta.ru (23. elokuuta 2011). Haettu: 22. elokuuta 2015. (määrätön)

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Hienoa norjalaista Britannica (verkossa)
Bibliografisissa luetteloissa	GND : 7547278-8 NDL : 01154681 NKC : ph508945