Метаматериал (от греческого слова μετά meta , что означает «за пределами» или «после», и латинского слова materia , что означает «материя» или «материал») — это тип материала, разработанный так, чтобы иметь свойство, обычно редко наблюдаемое в природных материалах, которое вытекает не из свойств базовых материалов, а из их новых разработанных структур. Метаматериалы обычно изготавливаются из нескольких материалов, таких как металлы и пластики, и обычно располагаются в повторяющихся узорах в масштабах, которые меньше длин волн явлений, на которые они влияют. Их точная форма , геометрия , размер , ориентация и расположение дают им «умные» свойства манипулирования электромагнитными , акустическими или даже сейсмическими волнами: путем блокирования, поглощения, усиления или изгибания волн, чтобы достичь преимуществ, которые выходят за рамки того, что возможно с обычными материалами.
Правильно спроектированные метаматериалы могут влиять на волны электромагнитного излучения или звука способом, не наблюдаемым в объемных материалах. [3] [4] [5] Те, которые демонстрируют отрицательный показатель преломления для определенных длин волн, были в центре внимания большого количества исследований. [6] [7] [8] Эти материалы известны как метаматериалы с отрицательным показателем преломления .
Потенциальные области применения метаматериалов разнообразны и включают спортивное оборудование [9] [10] оптические фильтры , медицинские приборы , удаленные аэрокосмические приложения, обнаружение датчиков и мониторинг инфраструктуры , интеллектуальное управление солнечной энергией , лазеры, [11] контроль толпы , обтекатели , высокочастотную боевую связь и линзы для антенн с высоким коэффициентом усиления, улучшение ультразвуковых датчиков и даже защиту конструкций от землетрясений . [12] [13] [14] [15] Метаматериалы предлагают потенциал для создания суперлинз . [16] Такая линза может позволить получать изображения ниже дифракционного предела , который является минимальным разрешением d=λ/(2NA), которое может быть достигнуто с помощью обычных линз, имеющих числовую апертуру NA и длину волны освещения λ. Субволновые оптические метаматериалы при интеграции с оптическими носителями записи могут использоваться для достижения оптической плотности данных выше, чем ограничивается дифракцией. [17] Была продемонстрирована форма «невидимости» с использованием материалов с градиентным показателем преломления . Акустические и сейсмические метаматериалы также являются областями исследований. [12] [18]
Исследования метаматериалов являются междисциплинарными и охватывают такие области, как электротехника , электромагнетизм , классическая оптика , физика твердого тела , микроволновая и антенная техника , оптоэлектроника , материаловедение , нанонаука и полупроводниковая техника. [4]
Исследования искусственных материалов для управления электромагнитными волнами начались в конце 19 века. Некоторые из самых ранних структур, которые можно считать метаматериалами, были изучены Джагадишем Чандрой Бозе , который в 1898 году исследовал вещества с хиральными свойствами. Карл Фердинанд Линдман изучал взаимодействие волн с металлическими спиралями как искусственными хиральными средами в начале двадцатого века.
В конце 1940-х годов Уинстон Э. Кок из AT&T Bell Laboratories разработал материалы, которые имели характеристики, схожие с метаматериалами. В 1950-х и 1960-х годах искусственные диэлектрики изучались для легких микроволновых антенн . Поглотители микроволновых радаров исследовались в 1980-х и 1990-х годах как приложения для искусственных хиральных сред. [4] [19] [20]
Материалы с отрицательным показателем преломления были впервые теоретически описаны Виктором Веселаго в 1967 году. [21] Он доказал, что такие материалы могут пропускать свет . Он показал, что фазовую скорость можно сделать антипараллельной направлению вектора Пойнтинга . Это противоречит распространению волн в природных материалах. [8]
В 1995 году Джон М. Герра изготовил субволновую прозрачную решетку (позже названную фотонным метаматериалом) с линиями и промежутками 50 нм, а затем соединил ее со стандартным объективом масляного иммерсионного микроскопа (комбинация, позже названная суперлинзой), чтобы разрешить решетку в кремниевой пластине, также имеющую линии и промежутки 50 нм. Это сверхразрешенное изображение было получено при освещении с длиной волны 650 нм в воздухе. [16]
В 2000 году Джон Пендри первым определил практический способ создания левостороннего метаматериала, материала, в котором не соблюдается правило правой руки . [21] Такой материал позволяет электромагнитной волне передавать энергию (иметь групповую скорость ) против ее фазовой скорости . Идея Пендри заключалась в том, что металлические провода, выровненные вдоль направления волны, могут обеспечить отрицательную диэлектрическую проницаемость ( диэлектрическая функция ε < 0). Природные материалы (такие как сегнетоэлектрики ) демонстрируют отрицательную диэлектрическую проницаемость; проблема заключалась в достижении отрицательной проницаемости (μ < 0). В 1999 году Пендри продемонстрировал, что разрезное кольцо (форма буквы C) с осью, расположенной вдоль направления распространения волны, может сделать это. В той же статье он показал, что периодический массив проводов и колец может привести к отрицательному показателю преломления. Пендри также предложил связанную конструкцию с отрицательной проницаемостью, швейцарский рулет .
В 2000 году Дэвид Р. Смит и др. сообщили об экспериментальной демонстрации функционирования электромагнитных метаматериалов путем горизонтального укладывания, периодически , разрезных кольцевых резонаторов и тонкопроволочных структур. В 2002 году был предложен метод реализации метаматериалов с отрицательным показателем преломления с использованием искусственных линий передачи с сосредоточенными элементами в микрополосковой технологии. В 2003 году были продемонстрированы комплексные (как действительные, так и мнимые части) отрицательный показатель преломления [22] и визуализация с помощью плоской линзы [23] с использованием левосторонних метаматериалов. К 2007 году эксперименты, включающие отрицательный показатель преломления, были проведены многими группами. [3] [15] На микроволновых частотах первый несовершенный плащ-невидимка был реализован в 2006 году. [24] [25] [26] [27] [28]
С точки зрения управляющих уравнений современные исследователи могут классифицировать сферу метаматериалов на три основные ветви: [29] Электромагнитные/оптические волновые метаматериалы, другие волновые метаматериалы и диффузионные метаматериалы . Эти ветви характеризуются соответствующими управляющими уравнениями, которые включают уравнения Максвелла (волновое уравнение, описывающее поперечные волны), другие волновые уравнения (для продольных и поперечных волн) и уравнения диффузии (относящиеся к процессам диффузии). [30] Созданные для управления рядом диффузионных активностей, диффузионные метаматериалы отдают приоритет длине диффузии как своей центральной метрике. Этот важнейший параметр испытывает временные колебания, оставаясь при этом невосприимчивым к изменениям частоты. Напротив, волновые метаматериалы, разработанные для регулировки различных путей распространения волн, рассматривают длину входящих волн как свою основную метрику. Эта длина волны остается постоянной с течением времени, хотя она корректируется с изменениями частоты. По сути, ключевые метрики для диффузионных и волновых метаматериалов представляют собой резкое расхождение, подчеркивая отчетливую взаимодополняющую связь между ними. Для получения полной информации см. Раздел IB «Эволюция физики метаматериалов» в [29] .
Электромагнитный метаматериал влияет на электромагнитные волны , которые сталкиваются или взаимодействуют с его структурными особенностями, которые меньше длины волны. Чтобы вести себя как однородный материал, точно описываемый эффективным показателем преломления , его особенности должны быть намного меньше длины волны. [ необходима цитата ]
Необычные свойства метаматериалов возникают из-за резонансного отклика каждого составного элемента, а не их пространственного расположения в решетке. Это позволяет учитывать локальные эффективные параметры материала (диэлектрическая проницаемость и проницаемость ). Резонансный эффект, связанный с взаимным расположением элементов, отвечает за рассеяние Брэгга , которое лежит в основе физики фотонных кристаллов , другого класса электромагнитных материалов. В отличие от локальных резонансов, рассеяние Брэгга и соответствующая стоп-зона Брэгга имеют низкочастотный предел, определяемый шагом решетки. Приближение субволновой длины гарантирует, что стоп-зоны Брэгга с сильными эффектами пространственной дисперсии находятся на более высоких частотах и ими можно пренебречь. Критерий смещения локального резонанса ниже нижней стоп-зоны Брэгга позволяет построить диаграмму фотонного фазового перехода в пространстве параметров, например, размера и диэлектрической проницаемости составного элемента. Такая диаграмма отображает область параметров структуры, позволяющую наблюдать свойства метаматериала в электромагнитном материале. [31]
Для микроволнового излучения характеристики составляют порядка миллиметров . Метаматериалы микроволновой частоты обычно изготавливаются в виде массивов электропроводящих элементов (например, проволочных петель), которые имеют подходящие индуктивные и емкостные характеристики. Многие микроволновые метаматериалы используют резонаторы с разрезным кольцом . [5] [6]
Фотонные метаматериалы структурированы в нанометровом масштабе и манипулируют светом на оптических частотах. Фотонные кристаллы и частотно-селективные поверхности, такие как дифракционные решетки , диэлектрические зеркала и оптические покрытия, демонстрируют сходство с субволновыми структурированными метаматериалами. Однако их обычно считают отличными от метаматериалов, поскольку их функция возникает из-за дифракции или интерференции и, таким образом, не могут быть аппроксимированы как однородный материал. [ необходима цитата ] Однако материальные структуры, такие как фотонные кристаллы, эффективны в видимом спектре света . Середина видимого спектра имеет длину волны приблизительно 560 нм (для солнечного света). Фотонные кристаллические структуры, как правило, имеют половину этого размера или меньше, то есть < 280 нм. [ необходима цитата ]
Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны , представляющие собой пакеты электрического заряда, которые коллективно колеблются на поверхности металлов на оптических частотах.
Частотно-селективные поверхности (FSS) могут демонстрировать субволновые характеристики и известны под разными названиями: искусственные магнитные проводники (AMC) или поверхности с высоким импедансом (HIS). FSS демонстрируют индуктивные и емкостные характеристики, которые напрямую связаны с их субволновой структурой. [32]
Электромагнитные метаматериалы можно разделить на различные классы следующим образом: [3] [21] [4] [33]
Метаматериалы с отрицательным показателем преломления (NIM) характеризуются отрицательным показателем преломления. Другие термины для NIM включают «левосторонние среды», «среды с отрицательным показателем преломления» и «среды с обратной волной». [3] NIM, в которых отрицательный показатель преломления возникает из-за одновременно отрицательной диэлектрической проницаемости и отрицательной проницаемости, также известны как двойные отрицательные метаматериалы или двойные отрицательные материалы (DNG). [21]
Предполагая, что материал хорошо аппроксимируется действительной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью, соотношение между диэлектрической проницаемостью , проницаемостью и показателем преломления n задается выражением . Все известные неметаматериальные прозрачные материалы (стекло, вода, ...) обладают положительными и . По соглашению положительный квадратный корень используется для n . Однако некоторые спроектированные метаматериалы имеют и . Поскольку произведение положительно, n является действительным . При таких обстоятельствах необходимо извлечь отрицательный квадратный корень для n . Когда оба и положительны (отрицательны), волны распространяются в прямом ( обратном ) направлении. Электромагнитные волны не могут распространяться в материалах с и противоположного знака, поскольку показатель преломления становится мнимым . Такие материалы непрозрачны для электромагнитного излучения, и примерами являются плазмонные материалы, такие как металлы ( золото , серебро , ...).
Вышеизложенные соображения являются упрощенными для реальных материалов, которые должны иметь комплексные значения и . Действительные части обоих и не обязательно должны быть отрицательными для пассивного материала, чтобы демонстрировать отрицательное преломление. [34] [35] Действительно, отрицательный показатель преломления для волн с круговой поляризацией также может возникать из-за хиральности. [36] [37] Метаматериалы с отрицательным n обладают многочисленными интересными свойствами: [4] [38]
Отрицательный показатель преломления математически выводится из триплета векторов E , H и k . [4]
Для плоских волн, распространяющихся в электромагнитных метаматериалах, электрическое поле, магнитное поле и волновой вектор следуют правилу левой руки , обратному поведению обычных оптических материалов.
На сегодняшний день отрицательный показатель преломления демонстрируют только метаматериалы. [3] [38] [39]
Метаматериалы с одиночным отрицательным зарядом (SNG) имеют либо отрицательную относительную диэлектрическую проницаемость (ε r ), либо отрицательную относительную проницаемость (μ r ), но не обе одновременно. [21] Они действуют как метаматериалы, когда объединяются с другим, дополнительным SNG, совместно действуя как DNG.
Эпсилон-отрицательные среды (ENG) демонстрируют отрицательное ε r , в то время как μ r положительно. [3] [38] [21] Многие плазмы демонстрируют эту характеристику. Например, благородные металлы, такие как золото или серебро, являются ENG в инфракрасном и видимом спектрах .
Mu-отрицательные среды (MNG) демонстрируют положительное ε r и отрицательное μ r . [3] [38] [21] Гиротропные или гиромагнитные материалы демонстрируют эту характеристику. Гиротропный материал - это материал, который был изменен присутствием квазистатического магнитного поля , что обеспечивает магнитооптический эффект . [ требуется ссылка ] Магнитооптический эффект - это явление, при котором электромагнитная волна распространяется через такую среду. В таком материале лево- и правовращающиеся эллиптические поляризации могут распространяться с разной скоростью. Когда свет проходит через слой магнитооптического материала, результат называется эффектом Фарадея : плоскость поляризации может вращаться, образуя вращатель Фарадея . Результаты такого отражения известны как магнитооптический эффект Керра (не путать с нелинейным эффектом Керра ). Два гиротропных материала с обратными направлениями вращения двух основных поляризаций называются оптическими изомерами .
Соединение пластины материала ENG и пластины материала MNG привело к появлению таких свойств, как резонансы, аномальное туннелирование, прозрачность и нулевое отражение. Как и материалы с отрицательным показателем преломления, SNG изначально дисперсионные, поэтому их ε r , μ r и показатель преломления n являются функцией частоты. [38]
Гиперболические метаматериалы (ГММ) ведут себя как металл для определенной поляризации или направления распространения света и ведут себя как диэлектрик для другого из-за отрицательных и положительных компонентов тензора диэлектрической проницаемости, давая экстремальную анизотропию . Дисперсионное соотношение материала в пространстве волновых векторов образует гиперболоид , и поэтому он называется гиперболическим метаматериалом. Экстремальная анизотропия ГММ приводит к направленному распространению света внутри и на поверхности. [40] ГММ показали различные потенциальные применения, такие как зондирование, модулятор отражения, [41] визуализация, управление оптическими сигналами, усиление эффектов плазмонного резонанса. [42]
Электромагнитные метаматериалы с запрещенной зоной (EBG или EBM) контролируют распространение света. Это достигается либо с помощью фотонных кристаллов (PC), либо с помощью левосторонних материалов (LHM). PC могут полностью запретить распространение света. Оба класса могут позволять свету распространяться в определенных, разработанных направлениях, и оба могут быть разработаны с запрещенными зонами на желаемых частотах. [43] [44] Размер периода EBG составляет значительную часть длины волны, создавая конструктивную и деструктивную интерференцию.
PC отличаются от субволновых структур, таких как настраиваемые метаматериалы , потому что PC получает свои свойства из характеристик своей запрещенной зоны. PC имеют размер, соответствующий длине волны света, в отличие от других метаматериалов, которые демонстрируют субволновую структуру. Кроме того, PC функционируют, дифрагируя свет. Напротив, метаматериал не использует дифракцию. [45]
PC имеют периодические включения, которые препятствуют распространению волн из-за деструктивной интерференции включений от рассеяния. Фотонное свойство запрещенной зоны PC делает их электромагнитным аналогом электронных полупроводниковых кристаллов. [46]
Целью EBG является создание высококачественных, малопотерьных, периодических диэлектрических структур. EBG влияет на фотоны так же, как полупроводниковые материалы влияют на электроны. PC являются идеальным материалом для запрещенной зоны, поскольку они не допускают распространения света. [47] Каждая единица заданной периодической структуры действует как один атом, хотя и гораздо большего размера. [3] [47]
EBG разработаны для предотвращения распространения выделенной полосы частот для определенных углов прихода и поляризаций . Различные геометрии и структуры были предложены для создания особых свойств EBG. На практике невозможно построить безупречное устройство EBG. [3] [4]
EBG были изготовлены для частот в диапазоне от нескольких гигагерц (ГГц) до нескольких терагерц (ТГц), радио, микроволновых и средних инфракрасных частотных областей. Разработки приложений EBG включают линию передачи , штабеля из квадратных диэлектрических стержней и несколько различных типов антенн с низким коэффициентом усиления . [3] [4]
Двойные положительные среды (DPS) встречаются в природе, например, естественные диэлектрики . Диэлектрическая и магнитная проницаемость положительны, а распространение волн происходит в прямом направлении. Были изготовлены искусственные материалы, которые сочетают свойства DPS, ENG и MNG. [3] [21]
Категоризация метаматериалов на двойные или одинарные отрицательные, или двойные положительные, обычно предполагает, что метаматериал имеет независимые электрические и магнитные отклики, описываемые ε и μ. Однако во многих случаях электрическое поле вызывает магнитную поляризацию, в то время как магнитное поле индуцирует электрическую поляризацию, известную как магнитоэлектрическая связь. Такие среды обозначаются как биизотропные . Среды, которые проявляют магнитоэлектрическую связь и которые являются анизотропными (что имеет место для многих структур метаматериалов [48] ), называются бианизотропными. [49] [50]
Четыре материальных параметра присущи магнитоэлектрической связи биизотропных сред. Это напряженности электрического ( E ) и магнитного ( H ) полей, а также плотности электрического ( D ) и магнитного ( B ) потоков. Этими параметрами являются ε, μ, κ и χ или диэлектрическая проницаемость, проницаемость, сила хиральности и параметр Теллегена соответственно. В этом типе сред материальные параметры не изменяются с изменениями вдоль повернутой системы координат измерений. В этом смысле они являются инвариантными или скалярными . [4]
Собственные магнитоэлектрические параметры κ и χ влияют на фазу волны. Влияние параметра хиральности заключается в расщеплении показателя преломления. В изотропных средах это приводит к распространению волны только в том случае, если ε и μ имеют одинаковый знак. В биизотропных средах, где χ предполагается равным нулю, а κ — ненулевым значением, возникают разные результаты. Может возникнуть либо обратная волна, либо прямая волна. С другой стороны, могут возникнуть две прямые волны или две обратные волны в зависимости от силы параметра хиральности.
В общем случае определяющие соотношения для бианизотропных материалов имеют вид где и являются тензорами диэлектрической и магнитной проницаемости соответственно, тогда как и являются двумя магнитоэлектрическими тензорами. Если среда является обратной, то диэлектрическая и магнитная проницаемость являются симметричными тензорами, и , где — киральный тензор, описывающий киральный электромагнитный и обратный магнитоэлектрический отклик. Киральный тензор можно выразить как , где — след , I — единичная матрица, N — симметричный тензор без следов, а J — антисимметричный тензор. Такое разложение позволяет нам классифицировать обратный бианизотропный отклик, и мы можем выделить следующие три основных класса: (i) киральные среды ( ), (ii) псевдохиральные среды ( ), (iii) омега-среды ( ).
Направленность метаматериалов является потенциальным источником путаницы, поскольку в литературе по метаматериалам встречаются два противоречивых использования терминов «левый» и «правый» . Первое относится к одной из двух циркулярно поляризованных волн, которые являются распространяющимися модами в хиральных средах. Второе относится к триплету электрического поля, магнитного поля и вектора Пойнтинга, которые возникают в средах с отрицательным показателем преломления, которые в большинстве случаев не являются хиральными.
Обычно хиральный и/или бианизотропный электромагнитный отклик является следствием трехмерной геометрической хиральности: трехмерные хиральные метаматериалы состоят из трехмерных хиральных структур, встроенных в среду-хозяина, и они демонстрируют эффекты поляризации, связанные с хиральностью, такие как оптическая активность и круговой дихроизм . Существует также концепция двумерной хиральности , и плоский объект считается хиральным, если его нельзя наложить на его зеркальное изображение, если только он не поднят из плоскости. Было обнаружено, что двумерные хиральные метаматериалы, которые являются анизотропными и имеют потери, демонстрируют направленную асимметричную передачу (отражение, поглощение) волн с круговой поляризацией из-за кругового конверсионного дихроизма. [51] [52] С другой стороны, бианизотропный отклик может возникать из геометрических ахиральных структур, не обладающих ни двумерной, ни трехмерной внутренней хиральностью. Плам и его коллеги исследовали магнитоэлектрическую связь, обусловленную внешней хиральностью , где расположение (ахиральной) структуры вместе с волновым вектором излучения отличается от ее зеркального отображения, и наблюдали большую, настраиваемую линейную оптическую активность, [53] нелинейную оптическую активность, [54] зеркальную оптическую активность [55] и круговой конверсионный дихроизм. [56] Рицца и др. [57] предложили одномерные хиральные метаматериалы, в которых эффективный хиральный тензор не обращается в нуль, если система является геометрически одномерной хиральной (зеркальное отображение всей структуры не может быть наложено на нее с помощью трансляций без вращений).
3D-хиральные метаматериалы построены из хиральных материалов или резонаторов, в которых эффективный параметр хиральности не равен нулю. Свойства распространения волн в таких хиральных метаматериалах показывают, что отрицательное преломление может быть реализовано в метаматериалах с сильной хиральностью и положительными и . [58] [59] Это происходит потому, что показатель преломления имеет различные значения для левых и правых кругово поляризованных волн, заданных как
Видно, что отрицательный показатель преломления будет иметь место для одной поляризации, если > . В этом случае не обязательно, чтобы один или оба и были отрицательными для распространения обратной волны. [4] Отрицательный показатель преломления из-за хиральности впервые наблюдали одновременно и независимо Плам и др. [36] и Чжан и др. [37] в 2009 году.
Частотно-селективные поверхностные метаматериалы блокируют сигналы в одном диапазоне волн и пропускают сигналы в другом диапазоне волн. Они стали альтернативой метаматериалам с фиксированной частотой. Они допускают опциональные изменения частот в одной среде, а не ограничивающие ограничения фиксированной частотной характеристики . [60]
Эти метаматериалы используют различные параметры для достижения отрицательного показателя преломления в материалах, которые не являются электромагнитными. Более того, «новая конструкция для эластичных метаматериалов, которые могут вести себя как жидкости или твердые тела в ограниченном диапазоне частот, может открыть новые приложения, основанные на контроле акустических, упругих и сейсмических волн ». [61] Их также называют механическими метаматериалами . [ требуется цитата ]
Акустические метаматериалы контролируют, направляют и манипулируют звуком в форме звуковых, инфразвуковых или ультразвуковых волн в газах , жидкостях и твердых телах . Как и электромагнитные волны, звуковые волны могут демонстрировать отрицательное преломление. [18]
Управление звуковыми волнами в основном осуществляется через объемный модуль упругости β , плотность массы ρ и хиральность. Объемный модуль упругости и плотность являются аналогами диэлектрической и проницаемой проницаемости в электромагнитных метаматериалах. С этим связана механика распространения звуковых волн в решетчатой структуре. Также материалы имеют массу и собственную степень жесткости . Вместе они образуют резонансную систему, и механический (звуковой) резонанс может быть возбужден соответствующими звуковыми частотами (например, звуковыми импульсами ).
Структурные метаматериалы обеспечивают такие свойства, как дробимость и малый вес. Используя проекционную микростереолитографию , микрорешетки могут быть созданы с использованием форм, очень похожих на фермы и балки . Были созданы материалы на четыре порядка жестче, чем обычный аэрогель , но с той же плотностью. Такие материалы могут выдерживать нагрузку, по крайней мере, в 160 000 раз превышающую их собственный вес, путем чрезмерного ограничения материалов. [62] [63]
Керамический наноферменный метаматериал можно расплющить и вернуть в исходное состояние. [64]
Обычно материалы, встречающиеся в природе, будучи однородными, являются термически изотропными. То есть тепло проходит через них примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях. Однако термические метаматериалы обычно анизотропны из-за своей высокоорганизованной внутренней структуры. Композитные материалы с высокоупорядоченными внутренними частицами или структурами, такими как волокна и углеродные нанотрубки (УНТ), являются примерами этого.
Метаматериалы могут быть изготовлены, которые включают некоторую форму нелинейных сред, свойства которых изменяются в зависимости от мощности падающей волны. Нелинейные среды необходимы для нелинейной оптики . Большинство оптических материалов имеют относительно слабый отклик, что означает, что их свойства изменяются лишь на небольшую величину при больших изменениях интенсивности электромагнитного поля . Локальные электромагнитные поля включений в нелинейных метаматериалах могут быть намного больше среднего значения поля. Кроме того, были предсказаны и наблюдались замечательные нелинейные эффекты, если эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала очень мала (среда с эпсилон-близкой к нулю). [65] [66] [67] Кроме того, экзотические свойства, такие как отрицательный показатель преломления, создают возможности для настройки условий фазового согласования , которые должны выполняться в любой нелинейной оптической структуре.
Метажидкости предлагают программируемые свойства, такие как вязкость, сжимаемость и оптика. Один из подходов использовал наполненные воздухом эластомерные сферы диаметром 50-500 микрон, взвешенные в силиконовом масле. Сферы сжимаются под давлением и восстанавливают свою форму, когда давление снимается. Их свойства различаются в этих двух состояниях. Без давления они рассеивают свет, что делает их непрозрачными. Под давлением они сжимаются в формы полумесяца, фокусируя свет и становясь прозрачными. Реакция на давление может позволить им действовать как датчик или как динамическая гидравлическая жидкость. Как и кукурузный крахмал , он может действовать как ньютоновская или неньютоновская жидкость. Под давлением он становится неньютоновским — то есть его вязкость изменяется в ответ на силу сдвига. [68]
В 2009 году Марк Брайн и Грэм Милтон [69] математически доказали, что в принципе можно инвертировать знак композита на основе 3 материалов в 3D, изготовленного из материалов только с положительным или отрицательным знаком коэффициента Холла. Позже в 2015 году Муамер Кадич и др. [70] показали, что простая перфорация изотропного материала может привести к изменению знака коэффициента Холла. Это теоретическое утверждение было окончательно экспериментально продемонстрировано Кристианом Керном и др. [71].
В 2015 году Кристиан Керн и др. также продемонстрировали, что анизотропная перфорация одного материала может привести к еще более необычному эффекту, а именно параллельному эффекту Холла. [72] Это означает, что индуцированное электрическое поле внутри проводящей среды больше не ортогонально току и магнитному полю, а фактически параллельно последнему.
Мета-биоматериалы были специально созданы для взаимодействия с биологическими системами, объединяя принципы как из метаматериальной науки, так и из биологических областей. Разработанные в наномасштабе, эти материалы умело манипулируют электромагнитными, акустическими или тепловыми свойствами для содействия биологическим процессам. Благодаря тщательной корректировке своей структуры и состава, мета-биоматериалы обещают дополнить различные биомедицинские технологии, такие как медицинская визуализация, [73] доставка лекарств, [74] и тканевая инженерия. [75] Это подчеркивает важность понимания биологических систем через междисциплинарную призму материаловедения.
Терагерцовые метаматериалы взаимодействуют на терагерцовых частотах, обычно определяемых как 0,1–10 ТГц . Терагерцовое излучение лежит на дальнем конце инфракрасного диапазона, сразу за концом микроволнового диапазона. Это соответствует миллиметровым и субмиллиметровым длинам волн между 3 мм ( диапазон КВЧ ) и 0,03 мм (длинноволновый край дальнего инфракрасного света).
Фотонные метаматериалы взаимодействуют с оптическими частотами ( средний инфракрасный диапазон ). Субволновой период отличает их от структур с фотонной запрещенной зоной . [76] [77]
Настраиваемые метаматериалы позволяют произвольно корректировать изменения частоты в показателе преломления. Настраиваемый метаматериал расширяется за пределы ограничений полосы пропускания в левосторонних материалах, создавая различные типы метаматериалов.
Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны , которые производятся при взаимодействии света с металлическими диэлектриками . При определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся, распространяющиеся электромагнитные волны или поверхностные волны [78], известные как поверхностные плазмонные поляритоны . Объемные плазменные колебания делают возможным эффект отрицательной массы (плотности). [79] [80]
Метаматериалы рассматриваются для многих приложений. [81] Антенны из метаматериалов имеются в продаже.
В 2007 году один исследователь заявил, что для реализации приложений метаматериалов необходимо сократить потери энергии, расширить материалы до трехмерных изотропных материалов и промышленно внедрить методы их производства. [82]
Антенны из метаматериалов — это класс антенн , которые используют метаматериалы для улучшения производительности. [15] [21] [83] [84] Демонстрации показали, что метаматериалы могут повышать излучаемую мощность антенны . [15] [85] Материалы, которые могут достигать отрицательной проницаемости, позволяют получить такие свойства, как малый размер антенны, высокую направленность и настраиваемую частоту. [15] [21]
Метаматериальный поглотитель управляет компонентами потерь диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости метаматериалов, чтобы поглощать большие объемы электромагнитного излучения . [86] Это полезная функция для фотодетектирования [87] [88] и солнечных фотоэлектрических приложений. [89] Компоненты потерь также важны в приложениях с отрицательным показателем преломления (фотонные метаматериалы, антенные системы) или в преобразовательной оптике ( маскировка метаматериалами , небесная механика), но часто не используются в этих приложениях.
Суперлинза — это двух- или трехмерное устройство, которое использует метаматериалы, обычно с отрицательными рефракционными свойствами, для достижения разрешения за пределами дифракционного предела (в идеале бесконечного разрешения). Такое поведение возможно благодаря способности дважды отрицательных материалов давать отрицательную фазовую скорость. Дифракционный предел присущ обычным оптическим устройствам или линзам. [90] [91]
Метаматериалы являются потенциальной основой для практического устройства маскировки . Доказательство принципа было продемонстрировано 19 октября 2006 года. О существовании практических устройств маскировки публично не известно. [92] [93] [94] [95] [96] [97]
Метаматериалы применяются в технологии невидимости , которая уменьшает ЭПР любым из различных способов (например, поглощение, диффузия, перенаправление). Традиционно ЭПР уменьшалась либо с помощью радиопоглощающего материала (RAM), либо путем целенаправленного формирования целей таким образом, чтобы рассеянная энергия могла быть перенаправлена от источника. В то время как RAM имеют узкую полосу частот, целенаправленное формирование ограничивает аэродинамические характеристики цели. Совсем недавно были синтезированы метаматериалы или метаповерхности, которые могут перенаправлять рассеянную энергию от источника, используя либо теорию массивов [98] [99] [100] [101], либо обобщенный закон Снеллиуса. [102] [103] Это привело к аэродинамически выгодным формам для целей с уменьшенной ЭПР.
Сейсмические метаматериалы противодействуют неблагоприятному воздействию сейсмических волн на искусственные сооружения. [12] [104] [105]
Метаматериалы, текстурированные наномасштабными морщинами, могут контролировать звуковые или световые сигналы, например, изменять цвет материала или улучшать разрешение ультразвука . Области применения включают неразрушающий контроль материалов , медицинскую диагностику и подавление звука . Материалы могут быть изготовлены с помощью высокоточного многослойного процесса осаждения. Толщина каждого слоя может контролироваться в пределах доли длины волны. Затем материал сжимается, создавая точные морщины, расстояние между которыми может вызывать рассеивание выбранных частот. [106] [107]
Метаматериалы могут быть интегрированы с оптическими волноводами для адаптации направляемых электромагнитных волн ( метаволновод ). [108] Субволновые структуры, такие как метаматериалы, могут быть интегрированы, например, с кремниевыми волноводами для разработки поляризационных расщепителей пучка [109] и оптических соединителей, [110] добавляя новые степени свободы управления распространением света в наномасштабе для интегрированных фотонных устройств. [111] Могут быть разработаны другие приложения, такие как интегрированные преобразователи мод, [112] поляризационные (де)мультиплексоры, [113] структурированная генерация света, [114] и встроенные биодатчики [115] . [108]
Все материалы состоят из атомов , которые являются диполями . Эти диполи изменяют скорость света на коэффициент n (показатель преломления). В разрезном кольцевом резонаторе кольцо и проволочные блоки действуют как атомные диполи: проволока действует как сегнетоэлектрический атом, в то время как кольцо действует как индуктор L, в то время как открытая секция действует как конденсатор C. Кольцо в целом действует как LC-контур . Когда электромагнитное поле проходит через кольцо, создается индуцированный ток. Генерируемое поле перпендикулярно магнитному полю света. Магнитный резонанс приводит к отрицательной проницаемости; показатель преломления также отрицателен. (Линза не является по-настоящему плоской, поскольку емкость структуры накладывает наклон на электрическую индукцию.)
Несколько (математических) материальных моделей частотного отклика в DNG. Одной из них является модель Лоренца , которая описывает движение электронов в терминах управляемого затухающего гармонического осциллятора . Модель релаксации Дебая применяется, когда компонент ускорения математической модели Лоренца мал по сравнению с другими компонентами уравнения. Модель Друде применяется, когда компонент восстанавливающей силы пренебрежимо мал, а коэффициент связи, как правило, равен плазменной частоте . Другие различия компонентов требуют использования одной из этих моделей в зависимости от ее полярности или назначения. [3]
Трехмерные композиты металлических/неметаллических включений, периодически/случайно внедренных в матрицу с низкой диэлектрической проницаемостью, обычно моделируются аналитическими методами, включая формулы смешивания и методы на основе матрицы рассеяния. Частица моделируется либо электрическим диполем, параллельным электрическому полю, либо парой скрещенных электрических и магнитных диполей, параллельных электрическому и магнитному полям, соответственно, приложенной волны. Эти диполи являются ведущими членами в мультипольном ряду. Они являются единственными существующими для однородной сферы, поляризуемость которой можно легко получить из коэффициентов рассеяния Ми . В целом, эта процедура известна как «приближение точечного диполя», которое является хорошим приближением для метаматериалов, состоящих из композитов электрически малых сфер. Достоинствами этих методов являются низкая стоимость вычислений и математическая простота. [116] [117]
Три концепции - среда с отрицательным показателем преломления, неотражающий кристалл и суперлинза - являются основами теории метаматериалов. Другие основные принципы методов анализа трижды-периодических электромагнитных сред можно найти в Computing photonic band structure
Многопрофильная университетская исследовательская инициатива (MURI) охватывает десятки университетов и несколько правительственных организаций. В число участвующих университетов входят Калифорнийский университет в Беркли, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Калифорнийский университет в Сан-Диего, Массачусетский технологический институт и Имперский колледж в Лондоне. Спонсорами являются Управление военно-морских исследований и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов . [118]
MURI поддерживает исследования, которые пересекаются с более чем одной традиционной наукой и инженерной дисциплиной, чтобы ускорить как исследования, так и перевод в приложения. По состоянию на 2009 год, 69 академических учреждений должны были принять участие в 41 исследовательском проекте. [119]
Виртуальный институт искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов «Метаморфоза VI AISBL» — международная ассоциация по продвижению искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов. Она организует научные конференции, поддерживает специализированные журналы, создает и управляет исследовательскими программами, предоставляет программы обучения (включая программы PhD и обучения для промышленных партнеров); и трансфер технологий в европейскую промышленность. [120] [121]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite book}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)