Metamaterial

Metamaterial är ett kompositmaterial , vars egenskaper bestäms inte så mycket av egenskaperna hos dess beståndsdelar, utan av en artificiellt skapad periodisk struktur [1] [2] . De är konstgjorda och speciellt strukturerade miljöer med elektromagnetiska eller akustiska egenskaper som är tekniskt svåra att uppnå eller inte finns i naturen [3] [4] . Sådana egenskaper bör förstås som speciella värden för mediets fysikaliska parametrar, till exempel negativa värden för både den dielektriska ε och magnetiska μ permeabiliteten, den rumsliga struktureringen (lokaliseringen) av fördelningen av värdena för dessa parametrar (särskilt den periodiska förändringen i brytningsindex, som i fotoniska kristaller ), förmågan att kontrollera omgivningens parametrar som ett resultat av yttre påverkan (metamaterial med elektriskt styrd dielektrisk och magnetisk permeabilitet), etc. [5 ]

Prefixet "meta-" översätts från grekiska som "utanför", vilket gör att vi kan tolka termen "metamaterial" som strukturer vars effektiva elektromagnetiska egenskaper går utöver egenskaperna hos deras beståndsdelar [3] [4] . Metamaterial syntetiseras genom att introducera olika periodiska strukturer med olika geometriska former i det ursprungliga naturmaterialet, vilket modifierar den dielektriska och magnetiska χ-känsligheten hos det ursprungliga materialet. I en mycket grov approximation kan sådana insättningar betraktas som extremt stora atomer som på konstgjord väg introduceras i det ursprungliga materialet. Utvecklaren av metamaterial under sin syntes har möjlighet att välja (variera) olika fria parametrar (storlekar på strukturer, form, konstant och variabel period mellan dem, etc.). $\chi _{e}$

Egenskaper

En av de möjliga egenskaperna hos metamaterial är ett negativt (eller vänstersidigt) brytningsindex , som visar sig när den dielektriska och magnetiska permeabiliteten samtidigt är negativa [3] [4] [6] .

Effektgrunderna

Ekvationen för utbredning av elektromagnetiska vågor i ett isotropiskt medium har formen:

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

(ett)

var är vågvektorn, är vågens frekvens, är ljusets hastighet, är kvadraten på brytningsindex. Från dessa ekvationer är det uppenbart att den samtidiga förändringen av tecken på mediets dielektriska och magnetiska permeabilitet inte kommer att påverka dessa samband på något sätt. $k$ $\omega$ $c$ $n^{2}=\epsilon \mu$ $\epsilon$ $\mu$

"Höger" och "vänster" isotropa media

Ekvation (1) erhölls på grundval av Maxwells teori . För medier där mediets dielektriska och magnetiska känslighet samtidigt är positiva bildar tre vektorer av det elektromagnetiska fältet - elektriska , magnetiska och vågor - ett system av den sk. högra vektorer: $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

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

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

Sådana miljöer kallas respektive "rätt".

Miljöer för vilka , samtidigt är negativa kallas "vänster". För sådana medier bildar de elektriska , magnetiska och vågvektorerna ett system av vänstervektorer. $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

I den engelskspråkiga litteraturen kan de beskrivna materialen kallas höger- och vänsterhänta material, eller förkortas som RHM (höger) respektive LHM (vänster).

Energiöverföring med höger och vänster vågor

Energiflödet som bärs av vågen bestäms av Poynting-vektorn , som är lika med . En vektor bildar alltid en rät trippel med vektorer . Således, för rätt ämnen och är riktade i en riktning, och för vänster - i olika riktningar. Eftersom vektorn sammanfaller i riktning med fashastigheten är det tydligt att de vänstra ämnena är ämnen med den så kallade negativa fashastigheten. Med andra ord, i vänsterhänta ämnen är fashastigheten motsatt energiflödet. I sådana ämnen observeras till exempel den omvända dopplereffekten och bakåtvågor . ${\vec {S}}$ ${\vec {S}}=(c/4\pi )\vänster[{\vec {E}}{\vec {H}}\höger]$ ${\vec {S}}$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ ${\vec {S}}$ ${\vec {k}}$ ${\vec {k}}$

Dispersion av den vänstra miljön

Förekomsten av en negativ indikator på miljön är möjlig om den har en frekvensspridning. Om samtidigt , , kommer vågens energi att vara negativ (!). Det enda sättet att undvika denna motsägelse är om mediet har en frekvensspridning och . $\epsilon<0$ $\mu<0$ $W=\epsilon E^{2}+\mu H^{2}$ $\partiell \epsilon /\partial \omega$ $\partial \mu /\partial \omega$

Exempel på vågutbredning i vänster medium

Superlens

John Pendry [7] och hans kollegor i Physical Review Letters hävdar att det är möjligt att övervinna diffraktionsgränsen för upplösning av konventionell optik i material med ett negativt brytningsindex . I rätt miljö är objektivets bildutrymme inte identiskt med själva objektet, eftersom det bildas utan dämpade vågor . I det vänstra mediet avtar inte dämpade vågor, tvärtom ökar deras amplitud när vågen rör sig bort från objektet, så bilden bildas med deltagande av dämpade vågor, vilket kan göra det möjligt att få bilder med bättre upplösning än diffraktionsgränsen .

Den första experimentellt demonstrerade superlinsen med ett negativt brytningsindex hade en upplösning tre gånger bättre än diffraktionsgränsen. Experimentet utfördes med mikrovågsfrekvenser [8] . I det optiska området implementerades superlinsen 2005 [9] [10] . Det var en lins som inte använde negativ brytning, men ett tunt lager av silver användes för att förstärka de evanescenta vågorna.

Senast[ förtydliga ] Framsteg inom superlinser granskas i CE&N [11] . För att skapa en superlins används omväxlande lager av silver och magnesiumfluorid avsatt på ett substrat, på vilket ett nanogitter sedan skärs. Som ett resultat skapades en tredimensionell sammansatt struktur med ett negativt brytningsindex i det nära infraröda området [12] . I det andra fallet skapades metamaterialet med hjälp av nanotrådar, som elektrokemiskt odlades på en porös aluminiumoxidyta [13] .

I början av 2007 tillkännagavs skapandet av ett metamaterial med ett negativt brytningsindex i det synliga området. Materialets brytningsindex vid en våglängd av 780 nm var -0,6 [14] .

Metasytor

Den tvådimensionella analogen av metamaterial är metasytor. Metasytor är särskilt väl lämpade för att kontrollera ljus, eftersom de tenderar att ha lägre förluster än bulkmetamaterial och är lättare att tillverka [15] .

En metayta som används som lins för ljus kallas en metalens. Den har en liten storlek, en platt form, en tjocklek som inte överstiger en mikrometer, täckt med nanostrukturer i form av utsprång eller hål. [16]

Applikation

Det tillkännagavs skapandet av ett metamaterial med ett negativt brytningsindex i det synliga området, som kan dölja ett tredimensionellt objekt. Materialet består av guldnanoantenner som stöds av guld och magnesiumfluorid [17] . Användningen av metamaterial i skapandet av smarta kamouflagekläder för militären är mer lovande än alternativa tillvägagångssätt [18] .

På grund av deras negativa brytningsindex är metamaterial idealiska för att maskera föremål, eftersom de inte kan upptäckas av radiointelligens . Men existerande metamaterial endast i den första approximationen har ett negativt brytningsindex, vilket leder till betydande sekundära återutsläpp [19] .

Det finns ett växande intresse för användningen av metamaterial i radiotillämpningar och i synnerhet för antennteknik . Huvudområdena för deras tillämpning [3] [4] [20] : tillverkning av substrat och sändare i tryckta antenner för att uppnå bredband och minska storleken på antennelement; kompensation av reaktiviteten hos elektriskt små antenner i ett brett frekvensband, inklusive de som överskrider den grundläggande gränsen för Chu [21] ; uppnående av en snäv rumslig orientering av elementära sändare nedsänkta i metamediet; tillverkning av ytvågsantenner; minskning av ömsesidig påverkan mellan element i antennuppsättningar, inklusive i MIMO- enheter; matchande horn och andra typer av antenner.

Historik

De första verken i denna riktning går tillbaka till 1800-talet. År 1898 genomförde Jagadis Chandra Bose det första mikrovågsexperimentet för att studera polarisationsegenskaperna hos de strukturer han skapade med en krökt konfiguration [3] [4] . 1914 agerade Lindman på konstgjorda medier, som var en uppsättning slumpmässigt orienterade små trådar vridna till en spiral och inbäddade i ett medium som fixerade dem [3] [4] . Åren 1946–1948 Winston E. Kok var den första som skapade mikrovågslinser med ledande sfärer, skivor och periodiskt åtskilda metallremsor, som faktiskt bildade ett konstgjort medium med ett specifikt värde på det effektiva brytningsindexet [3] [4] . En detaljerad beskrivning av frågans historia kan hittas i V. M. Agranovichs och Yu. N. Gartshteins arbete [22] samt i Vadim Slyusars [3] [4] publikationer . I de flesta fall börjar historien om frågan om material med ett negativt brytningsindex med ett omnämnande av den sovjetiske fysikern Viktor Veselagos arbete , publicerat i tidskriften Uspekhi fizicheskikh nauk 1967 [23] . Artikeln talade om möjligheten av att det finns ett material med ett negativt brytningsindex , som kallades "vänsterhänt". Författaren kom till slutsatsen att med ett sådant material förändras nästan alla kända optiska fenomen av vågutbredning signifikant, även om material med negativt brytningsindex ännu inte var kända vid den tiden. Här bör det dock noteras att sådana "vänstersidiga" medier faktiskt diskuterades mycket tidigare i Sivukhins arbete [24] och i papper av Pafomov [25] .

Under de senaste åren har intensiva studier genomförts på de fenomen som är förknippade med ett negativt brytningsindex [26] . Anledningen till intensifieringen av dessa studier var uppkomsten av en ny klass av artificiellt modifierade material med en speciell struktur, som kallas metamaterial. De elektromagnetiska egenskaperna hos metamaterial bestäms av elementen i deras inre struktur, placerade enligt ett givet schema på mikroskopisk nivå. Därför kan egenskaperna hos dessa material modifieras så att de har ett bredare spektrum av elektromagnetiska egenskaper, inklusive ett negativt brytningsindex.

Veselago förutspådde att vissa optiska fenomen skulle vara helt annorlunda i material med ett negativt brytningsindex. Den kanske mest slående av dessa är refraktion , avböjningen av en elektromagnetisk våg när den passerar genom ett gränssnitt mellan två medier. Under normala förhållanden uppträder vågen på motsatt sida av en linje som löper vinkelrätt mot denna gräns ( normalt mot ytan). Men om ett material har ett positivt brytningsindex och det andra har ett negativt brytningsindex, kommer vågen att dyka upp på samma sida av ytan som är normal som den inkommande vågen. En speciell egenskap hos metamaterial är också stark spridning .

Mekaniska egenskaper hos kompositer

Exempel på metamaterial med ovanliga mekaniska egenskaper är auxetik (material med negativt Poisson-förhållande), skapade på basis av den "inverterade bikakan" [27] och skiktade material, som med ett speciellt urval av skiktens egenskaper har en negativ expansionskoefficient över skikten [28] .

Se även

Fotonisk kristall

Anteckningar

↑ Engheta, Nader; Ziolkowski, Richard W. Metamaterial: Fysik och tekniska undersökningar . - 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. Metamaterial (engelska) . metagrupp . Duke University . Hämtad 22 augusti 2015. Arkiverad från originalet 7 september 2015.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamaterial i antennteknik: historia och grundläggande principer // Elektronik: vetenskap, teknik, affärer. - 2009. - Nr 7 . - S. 70-79 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamaterial i antennteknik: grundläggande principer och resultat // First Mile. Last Mile (tillägg till tidskriften "Electronics: Science, Technology, Business"). - 2010. - Nr 3-4 . - S. 44-60 .
↑ PostNauka Ildar Gabitov 29 mars 2017 Metamaterials Arkiverad 23 september 2018 på Wayback Machine
↑ Orlov A. A., Yankovskaya E. A., Belov P. A., Zhukovsky S. V. Extraktion av materialparametrar för ett plasmoniskt flerskikt från reflektion och transmissionskoefficienter // Vetenskaplig och teknisk bulletin för informationsteknologi, mekanik och optik. - ITMO University , 2014. - 1-2 ( Nummer 1 (89) ). — ISSN 2226-1494 .
↑ Publikationer - Professor Sir John Pendry . Imperial College London . Hämtad 22 augusti 2015. Arkiverad från originalet 6 september 2015.
↑ A. Grbic, G. V. Eleftheriades. Att övervinna diffraktionsgränsen med en plan vänsterhandstransmissionslins // Fysiska granskningsbokstäver . - 2004. - Vol. 92. - P. 117403. - doi : 10.1103/PhysRevLett.92.117403 .
↑ Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang. Sub-diffraktionsbegränsad optisk bildbehandling med en silversuperlins // Science . - 2005. - 22 april (bd 308, nr 5721 ). - s. 534-537. - doi : 10.1126/science.1108759 . — PMID 15845849 .
↑ Sarah Young. Ny superlins öppnar dörren till nanoskala optisk bildbehandling , högdensitetsoptoelektronik . Eurek Alert! Vetenskapsnyheter (21 april 2005). Hämtad 22 augusti 2015. Arkiverad från originalet 24 september 2015.
↑ Metamaterial böjer ljus till nya nivåer // Chemical & Engineering News. - 2008. - 18 augusti (bd 86, nr 33 ). — S. 25.
↑ J. Valentine; Valentine, J.; Zhang, S.; Zentgraf, T.; Ulin-Avila, E.; Genov, D.A.; Bartal, G.; Zhang, X. et al. Tredimensionellt optiskt metamaterial med negativt brytningsindex // Nature: journal. - 2008. - Vol. 455 , nr. 7211 . - s. 376-379 . - doi : 10.1038/nature07247 . — PMID 18690249 .
↑ J. Yao; Yao, J.; Liu, Z.; Liu, Y.; Wang, Y.; Sun, C.; Bartal, G.; Stacy, A.M.; Zhang, X. et al. Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires (engelska) // Science : journal. - 2008. - Vol. 321 , nr. 5891 . — S. 930 . - doi : 10.1126/science.1157566 . — PMID 18703734 .
↑ Kerry Gibson. Metamaterial har visat sig fungera för synligt ljus . Eurek Alert! Vetenskapsnyheter (4 januari 2007). Hämtad 22 augusti 2015. Arkiverad från originalet 15 februari 2012.
↑ M. A. Remnev, V. V. Klimov. Metasurfaces: en ny titt på Maxwells ekvationer och nya metoder för ljusstyrning // UFN. - 2018. - T. 188. - S. 169-205. - doi : 10.3367/UFNr.2017.08.038192 .
↑ Alberto Moscatelli. Små linser för miniatyrenheter // I vetenskapens värld . - 2020. - Nr 1 . - S. 11-12 .
↑ Osynlighetens kappa har blivit verklighet (otillgänglig länk) . tan-blog.ru. Hämtad 22 februari 2016. Arkiverad från originalet 4 mars 2016. (obestämd)
↑ Vadim Slyusar. Osynlig man? Lätt som en plätt! // Konstruktör. - 2002. - Nr 11 .
↑ Pendry JB, Smith DR. Jakten på superlinsen // Scientific American . - Springer Nature , 2006. - Vol. 295. - S. 60-67 . — ISSN 0036-8733 .
↑ Vadim Slyusar. Metamaterial i antenndesign // Elektronik: vetenskap, teknik, affärer. - 2009. - Nr 8 . - S. 66-70 .
↑ Vadim Slyusar. 60 år av teorin om elektriskt små antenner. Några resultat // Elektronik: vetenskap, teknik, affärer. - 2006. - Nr 7 . - S. 10-19 .
↑ V. M. Agranovich, Yu. N. Gartshtein. Rumslig spridning och negativ brytning av ljus // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Ryska vetenskapsakademin , 2006. - Oktober ( vol. 176 ). - S. 1051-1068 . - doi : 10.3367/UFNr.0176.200610c.1051 . (ryska)
↑ Veselago, V. G. Elektrodynamik hos ämnen med samtidigt negativa värden på ε och μ // Uspekhi fizicheskikh nauk . — M .: Nauka . Huvudupplagan av fysisk och matematisk litteratur, 1967. - Juli ( v. 92 ). - S. 517-526 . - doi : 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517 . (ryska)
↑ 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)
↑ Sju upptäckter som kommer att förändra våra liv under de kommande 10 åren Arkivexemplar daterad 12 mars 2016 på Wayback Machine från SCIENCE IN FOCUS-serien om Echo of Moscow, december 2014
↑ A. G. Kolpakov. [Elsevier http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021892885900115 För att bestämma genomsnittliga egenskaper hos elastiska ramverk] // Tillämpad matematik och mekanik. - 1985. - Nr 6 . - S. 969-977 . Arkiverad från originalet den 24 september 2015.
↑ Kolpakov A. G., Rakin S. I. Om problemet med att syntetisera ett endimensionellt kompositmaterial med specificerade egenskaper // Zhurn PMTF. - 1986. - Nr 6 . - S. 143-150 .

Litteratur

Michio Kaku . I.2. Osynlighet // Physics of the Impossible = Michio Kaku. Det omöjligas fysik. - M . : Alpina facklitteratur , 2009. - 456 s. - ISBN 978-5-91671-024-3 .

Länkar

DNA-origami hjälpte till att skapa det självmonterande osynliga materialet . Lenta.ru (23 augusti 2011). Hämtad: 22 augusti 2015. (obestämd)

Ordböcker och uppslagsverk	Stor norsk Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	GND : 7547278-8 NDL : 01154681 NKC : ph508945