Отрицательное преломление

Отрицательное преломление — это электромагнитное явление, при котором световые лучи преломляются на границе раздела , противоположной их более часто наблюдаемым положительным преломляющим свойствам. Отрицательное преломление можно получить с помощью метаматериала , который был разработан для достижения отрицательного значения (электрической) диэлектрической проницаемости (ε) и (магнитной) проницаемости (μ); в таких случаях материалу может быть присвоен отрицательный показатель преломления . Такие материалы иногда называют материалами «двойного негатива». ^[1]

Отрицательное преломление происходит на границах раздела материалов, где один имеет обычную положительную фазовую скорость (т. е. положительный показатель преломления), а другой имеет более экзотическую отрицательную фазовую скорость (отрицательный показатель преломления).

Отрицательная фазовая скорость

Отрицательная фазовая скорость (NPV) — это свойство распространения света в среде . Существуют разные определения NPV; наиболее распространенным является оригинальное предложение Виктора Веселаго о противопоставлении волнового вектора и (Абрахама) вектора Пойнтинга . Другие определения включают противопоставление волнового вектора групповой скорости и энергии скорости. ^[2] Термин «Фазовая скорость» используется традиционно, поскольку фазовая скорость имеет тот же знак, что и волновой вектор.

Типичным критерием, используемым для определения NPV Веселаго, является то, что скалярное произведение вектора Пойнтинга и волнового вектора отрицательно (т. е. что ), но это определение не является ковариантным . Хотя это ограничение не имеет практического значения, критерий был обобщен в ковариантную форму. ^[3] NPV-среды Веселаго также называют «левыми (мета)материалами», поскольку компоненты проходящих через них плоских волн (электрическое поле, магнитное поле и волновой вектор) подчиняются правилу левой руки, а не правилу правой руки. правило . Терминов «левша» и «правша» обычно избегают, поскольку они также используются для обозначения хиральных сред. ${\displaystyle \scriptstyle {\vec {P}}\cdot {\vec {k}}<0}$

Отрицательный показатель преломления

Сравнение преломления в левостороннем метаматериале с преломлением в обычном материале.

Видео, демонстрирующее отрицательное преломление света на однородной плоской границе раздела.

Можно отказаться от прямого рассмотрения вектора Пойнтинга и волнового вектора распространяющегося светового поля и вместо этого напрямую рассмотреть реакцию материалов. Предполагая, что материал ахиральный, можно рассмотреть, какие значения диэлектрической проницаемости (ε) и проницаемости (µ) приводят к отрицательной фазовой скорости (NPV). Поскольку и ε, и µ, как правило, являются комплексными, их мнимые части не обязательно должны быть отрицательными, чтобы пассивный (т. е. с потерями ) материал демонстрировал отрицательное преломление. В этих материалах критерий отрицательной фазовой скорости был выведен Депином и Лахтакиа как

${\displaystyle \epsilon _{r}|\mu |+\mu _{r}|\epsilon |<0,}$

где – действительные части ε и µ соответственно. Для активных материалов критерий другой. ^{[4] [5]} ${\displaystyle \epsilon _{r},\mu _{r}}$

Возникновение NPV не обязательно означает отрицательное преломление (отрицательный показатель преломления). ^{[6] [7]} Обычно показатель преломления определяют с помощью ${\displaystyle n}$

${\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon \mu }}}$,

где по соглашению для . выбирается положительный квадратный корень . Однако в материалах NPV отрицательный квадратный корень выбирается, чтобы имитировать тот факт, что волновой вектор и фазовая скорость также меняются местами. Показатель преломления — это производная величина, которая описывает, как волновой вектор связан с оптической частотой и направлением распространения света; таким образом, знак должен быть выбран в соответствии с физической ситуацией. ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$

В хиральных материалах

Показатель преломления также зависит от параметра киральности , что приводит к различным значениям для волн с левой и правой круговой поляризацией, определяемых выражением ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

${\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa }$.

Отрицательный показатель преломления возникает для одной поляризации, если > ; в этом случае и/или не обязательно должны быть отрицательными. Отрицательный показатель преломления из-за киральности был предсказан Пендри и Третьяковым с соавт. , ^{[8] [9]} и впервые наблюдавшиеся одновременно и независимо Plum et al. и Чжан и др. в 2009 году. ^{[10] [11]} ${\displaystyle \kappa }$ ${\displaystyle {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}$ ${\displaystyle \epsilon _{r}}$ ${\displaystyle \mu _{r}}$

Преломление

Следствием отрицательного преломления является то, что лучи света при входе в материал преломляются по одну и ту же сторону от нормали , как показано на диаграмме и в соответствии с общей формой закона Снеллиуса .

Смотрите также

• Акустические метаматериалы
• Метаматериал
• Метаматериалы с отрицательным индексом
• Метаматериальные антенны
• Теория многопризменной дисперсии
• Интерферометрическое уравнение с N-щелью
• Идеальный объектив
• Фотонные метаматериалы
• Фотонный кристалл
• Сейсмические метаматериалы
• Разъемный кольцевой резонатор
• Настраиваемые метаматериалы

Электромагнитные взаимодействия

• Теорема Блоха
• Эффект Казимира
• Диэлектрик
• Электромагнетизм
• ЭМ излучение
• Подвижность электронов
• Проницаемость (электромагнетизм) *
• Диэлектрическая проницаемость *
• Волновое число
• Фото-Дембер
• Импеданс

Рекомендации

1. Слюсарь, Вадим И. (10 октября 2009 г.). «Метаматериалы в антенных решениях» (PDF) . Материалы международной конференции по теории и технике антенн : 19–24. doi :10.1109/ICATT.2009.4435103 (неактивен 31 января 2024 г.).{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )
2. Веселаго, Виктор Г (30 апреля 1968). «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ». Успехи советской физики . 10 (4): 509–514. Бибкод : 1968SvPhU..10..509В. дои : 10.1070/pu1968v010n04abeh003699. ISSN  0038-5670.
3. МВ МакКолл (2008). «Ковариантная теория распространения отрицательной фазовой скорости». Метаматериалы . 2 (2–3): 92. Бибкод : 2008МетаМ...2...92М. doi :10.1016/j.metmat.2008.05.001.
4. Р. А. Депин и А. Лахтакиа (2004). «Новое условие для идентификации изотропных диэлектрико-магнитных материалов с отрицательной фазовой скоростью». Письма о микроволновых и оптических технологиях . 41 (4): 315–316. arXiv : физика/0311029 . дои : 10.1002/mop.20127. S2CID  6072651.
5. П. Кинслер и М.В. МакКолл (2008). «Критерии отрицательного преломления в активных и пассивных средах». Письма о микроволновых и оптических технологиях . 50 (7): 1804. arXiv : 0806.1676 . дои : 10.1002/mop.23489. S2CID  117834803.
6. Маккей, Том Г.; Лахтакия, Ахлеш (12 июня 2009 г.). «Отрицательная рефракция, отрицательная фазовая скорость и противоположение в бианизотропных материалах и метаматериалах». Физический обзор B . 79 (23): 235121. arXiv : 0903.1530 . Бибкод : 2009PhRvB..79w5121M. doi : 10.1103/PhysRevB.79.235121.
7. Дж. Скаар (2006). «О разрешении показателя преломления и волнового вектора». Оптические письма . 31 (22): 3372–3374. arXiv : физика/0607104 . Бибкод : 2006OptL...31.3372S. CiteSeerX 10.1.1.261.8030 . дои : 10.1364/OL.31.003372. PMID  17072427. S2CID  606747. 
8. Пендри, Дж.Б. (2004). «Киральный путь к отрицательному преломлению». Наука . 306 (5700): 1353–5. Бибкод : 2004Sci...306.1353P. дои : 10.1126/science.1104467. PMID  15550665. S2CID  13485411.
9. Третьяков, С.; Нефедов И.; Шивола, А.; Масловский С.; Симовски, К. (2003). «Волны и энергия в киральной ничтожности». Журнал электромагнитных волн и приложений . 17 (5): 695. arXiv : cond-mat/0211012 . Бибкод : 2003JEWA...17..695T. дои : 10.1163/156939303322226356. S2CID  119507930.
10. Плам, Э.; Чжоу, Дж.; Донг, Дж.; Федотов В.А.; Кошный, Т.; Сукулис, CM; Желудев Н.И. (2009). «Метаматериал с отрицательным индексом хиральности» (PDF) . Физический обзор B . 79 (3): 035407. Бибкод : 2009PhRvB..79c5407P. doi : 10.1103/PhysRevB.79.035407. S2CID  119259753.
11. Чжан, С.; Парк, Ю.-С.; Ли, Дж.; Лу, Х.; Чжан, В.; Чжан, X. (2009). «Отрицательный показатель преломления в хиральных метаматериалах». Письма о физических отзывах . 102 (2): 023901. Бибкод : 2009PhRvL.102b3901Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.102.023901. ПМИД  19257274.