Метаматериал ( от греческого слова μετά мета , означающего «за пределами» или «после», и латинского слова materia , означающего «материя» или «материал») — это любой материал , созданный таким образом, чтобы он имел свойство, которое редко наблюдается у материалов природного происхождения. . Они состоят из множества элементов, изготовленных из композитных материалов, таких как металлы и пластмассы. Эти материалы обычно располагаются повторяющимися узорами в масштабах, меньших, чем длины волн явлений, на которые они влияют. Метаматериалы черпают свои свойства не из свойств основных материалов, а из их вновь созданных структур. Их точная форма , геометрия , размер , ориентация и расположение наделяют их интеллектуальными свойствами, позволяющими манипулировать электромагнитными волнами : блокируя, поглощая, усиливая или изгибая волны, для достижения преимуществ, выходящих за рамки того, что возможно с обычными материалами.
Метаматериалы, созданные соответствующим образом, могут воздействовать на волны электромагнитного излучения или звука так, как это не наблюдается 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 индексом преломления .
Потенциальные применения метаматериалов разнообразны и включают оптические фильтры , медицинские устройства , удаленные аэрокосмические приложения, обнаружение датчиков и мониторинг инфраструктуры , интеллектуальное управление солнечной энергией , лазеры, [9] контроль толпы , обтекатели , высокочастотную боевую связь и линзы для высокого усиления. антенны, усовершенствованные ультразвуковые датчики и даже защитные конструкции от землетрясений . [10] [11] [12] [13] Метаматериалы открывают потенциал для создания суперлинз . [14] Такая линза может обеспечивать получение изображений ниже дифракционного предела , который представляет собой минимальное разрешение 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, превышающей предел, ограниченный дифракцией. [15] Форма «невидимости» была продемонстрирована с использованием материалов с градиентным индексом . Акустические и сейсмические метаматериалы также являются областями исследований. [10] [16]
Исследования метаматериалов являются междисциплинарными и включают в себя такие области, как электротехника , электромагнетика , классическая оптика , физика твердого тела , микроволновая и антенная техника , оптоэлектроника , материаловедение , нанонаука и полупроводниковая инженерия. [4]
Исследования искусственных материалов для управления электромагнитными волнами начались в конце XIX века. Некоторые из самых ранних структур, которые можно считать метаматериалами, были изучены Джагадишем Чандрой Босом , который в 1898 году исследовал вещества с хиральными свойствами. Карл Фердинанд Линдман изучал взаимодействие волн с металлическими спиралями как искусственными киральными средами в начале двадцатого века.
В конце 1940-х годов Уинстон Э. Кок из AT&T Bell Laboratories разработал материалы, характеристики которых были аналогичны метаматериалам. 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 в качестве применения в искусственных киральных средах. [4] [17] [18]
Материалы с отрицательным коэффициентом преломления были впервые теоретически описаны Виктором Веселаго в 1967 году. [19] Он доказал, что такие материалы могут передавать 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 получить разрешить решетку на кремниевой пластине, также имеющую линии и промежутки 50 нм. Это изображение сверхразрешения было получено при освещении в воздухе длиной волны 650 нм. [14]
В 2000 году Джон Пендри первым нашел практический способ создания левостороннего метаматериала — материала, в котором не соблюдается правило правой руки . [19] 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 ) обладают отрицательной диэлектрической проницаемостью; задача заключалась в достижении отрицательной проницаемости (µ < 0). В 1999 году Пендри продемонстрировал, что это может сделать разрезное кольцо (С-образной формы), ось которого расположена вдоль направления распространения волны. В той же статье он показал, что периодическая совокупность проволок и колец может привести к отрицательному показателю преломления. Пендри также предложил аналогичную конструкцию с отрицательной проницаемостью — швейцарский валок .
В 2000 году Дэвид Р. Смит и др. сообщил об экспериментальной демонстрации функционирования электромагнитных метаматериалов с помощью горизонтально уложенных периодически резонаторов с разъемным кольцом и тонких проволочных структур. В 2002 году был предложен метод реализации метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления с использованием искусственных линий передачи с сосредоточенными элементами в микрополосковой технологии. В 2003 году были продемонстрированы комплексный (как действительная, так и мнимая часть) отрицательный показатель преломления [20] и визуализация с помощью плоской линзы [21] с использованием левосторонних метаматериалов. К 2007 году эксперименты с отрицательным показателем преломления проводились многими группами. [3] [13] На микроволновых частотах первый несовершенный плащ-невидимка был реализован в 2006 году. [22] [23] [24] [25] [26]
С точки зрения основных уравнений, современные исследователи могут разделить сферу метаматериалов на три основные ветви: [27] Электромагнитные/оптические волновые метаматериалы, другие волновые метаматериалы и диффузионные метаматериалы . Эти ветви характеризуются соответствующими определяющими уравнениями, к которым относятся уравнения Максвелла (волновое уравнение, описывающее поперечные волны), другие волновые уравнения (для продольных и поперечных волн) и уравнения диффузии (относящиеся к диффузионным процессам). [28] Подробную информацию можно найти в разделе IB «Эволюция физики метаматериалов» в работе. [27]
Электромагнитный метаматериал воздействует на электромагнитные волны , которые сталкиваются или взаимодействуют с его структурными особенностями, размер которых меньше длины волны. Чтобы вести себя как однородный материал, точно описываемый эффективным показателем преломления , его характеристики должны быть намного меньше длины волны. [ нужна цитата ]
Необычные свойства метаматериалов возникают из-за резонансного отклика каждого составного элемента, а не из-за их пространственного расположения в решетке. Это позволяет учитывать локальные эффективные параметры материала (диэлектрическую и магнитную проницаемость ). Эффект резонанса, связанный со взаимным расположением элементов, отвечает за брэгговское рассеяние , лежащее в основе физики фотонных кристаллов — другого класса электромагнитных материалов. В отличие от локальных резонансов, брэгговское рассеяние и соответствующая брэгговская полоса задерживания имеют низкочастотный предел, определяемый шагом решетки. Субволновое приближение гарантирует, что брэгговские стоп-зоны с сильными эффектами пространственной дисперсии находятся на более высоких частотах и ими можно пренебречь. Критерий смещения локального резонанса ниже нижней брэгговской стоп-зоны позволяет построить диаграмму фотонного фазового перехода в пространстве параметров, например, размера и диэлектрической проницаемости составляющего элемента. Такая диаграмма отображает область параметров структуры, позволяющую наблюдать свойства метаматериала в электромагнитном материале. [29]
Для микроволнового излучения характеристики составляют порядка миллиметров . Метаматериалы микроволновой частоты обычно конструируются как массивы электропроводящих элементов (например, проволочных петель), которые имеют подходящие индуктивные и емкостные характеристики. Во многих микроволновых метаматериалах используются резонаторы с разъемным кольцом . [5] [6]
Фотонные метаматериалы структурированы в нанометровом масштабе и управляют светом на оптических частотах. Фотонные кристаллы и частотно-селективные поверхности, такие как дифракционные решетки , диэлектрические зеркала и оптические покрытия, демонстрируют сходство с метаматериалами с субволновой структурой. Однако их обычно считают отличными от метаматериалов, поскольку их функция возникает в результате дифракции или интерференции и, следовательно, не может быть аппроксимирована как однородный материал. [ нужна цитация ] Однако материальные структуры, такие как фотонные кристаллы, эффективны в видимом спектре света . Середина видимого спектра имеет длину волны примерно 560 нм (для солнечного света). Фотонно-кристаллические структуры обычно имеют размер вдвое или меньше, то есть <280 нм. [ нужна цитата ]
Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны , которые представляют собой пакеты электрического заряда, которые коллективно колеблются на поверхности металлов на оптических частотах.
Частотно-избирательные поверхности (FSS) могут проявлять субволновые характеристики и известны как искусственные магнитные проводники (AMC) или поверхности с высоким импедансом (HIS). FSS обладают индуктивными и емкостными характеристиками, которые напрямую связаны с их субволновой структурой. [30]
Электромагнитные метаматериалы можно разделить на разные классы, а именно: [3] [19] [4] [31]
Метаматериалы с отрицательным показателем преломления (NIM) характеризуются отрицательным показателем преломления. Другие термины для NIM включают «левостороннюю среду», «среду с отрицательным показателем преломления» и «среду 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). [19]
Предполагая, что материал хорошо аппроксимирован реальной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью, соотношение между диэлектрической проницаемостью , проницаемостью и показателем преломления n определяется выражением . Все известные неметаматериальные прозрачные материалы (стекло, вода и т. д.) обладают положительными и . По соглашению для n используется положительный квадратный корень . Однако некоторые инженерные метаматериалы имеют и . Поскольку произведение положительное , n действительно . В таких обстоятельствах необходимо извлечь отрицательный квадратный корень из числа n . Когда оба и положительны (отрицательны), волны распространяются в прямом ( назад ) направлении. Электромагнитные волны не могут распространяться в материалах противоположного знака и противоположного знака, поскольку показатель преломления становится мнимым . Такие материалы непрозрачны для электромагнитного излучения, и примеры включают плазмонные материалы, такие как металлы ( золото , серебро , ...).
Вышеизложенные соображения являются упрощенными для реальных материалов, которые должны иметь комплексные значения и . Реальные части обоих не обязательно должны быть отрицательными, чтобы пассивный материал демонстрировал отрицательное преломление. [32] [33] Действительно, отрицательный показатель преломления для волн с круговой поляризацией также может возникнуть из-за киральности. [34] [35] Метаматериалы с отрицательным n обладают множеством интересных свойств: [4] [36]
Отрицательный показатель преломления математически получается из тройки векторов E , H и k . [4]
Для плоских волн , распространяющихся в электромагнитных метаматериалах, электрическое поле, магнитное поле и волновой вектор подчиняются правилу левой руки , противоположному поведению обычных оптических материалов.
На сегодняшний день только метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления. [3] [36] [37]
Одиночные отрицательные (SNG) метаматериалы имеют либо отрицательную относительную диэлектрическую проницаемость (ε r ), либо отрицательную относительную проницаемость ( µ r ), но не то и другое одновременно. [19] Они действуют как метаматериалы в сочетании с другим, дополнительным SNG, совместно действуя как DNG.
Негативные носители Epsilon (ENG) отображают отрицательное значение ε r, тогда как µ r является положительным. [3] [36] [19] Многие виды плазмы обладают этой характеристикой. Например, благородные металлы , такие как золото или серебро, являются ЭНГ в инфракрасном и видимом спектрах .
Му-негативные среды (MNG) демонстрируют положительную ε r и отрицательную µ r . [3] [36] [19] Эту характеристику проявляют гиротропные или гиромагнитные материалы. Гиротропный материал — это материал, который был изменен под действием квазистатического магнитного поля , что обеспечивает магнитооптический эффект . [ нужна цитация ] Магнитооптический эффект — это явление, при котором электромагнитная волна распространяется через такую среду. В таком материале эллиптическая поляризация, вращающаяся влево и вправо, может распространяться с разной скоростью. Когда свет проходит через слой магнитооптического материала, результат называется эффектом Фарадея : плоскость поляризации может вращаться, образуя ротатор 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 плиты материала ENG и плиты материала MNG привело к появлению таких свойств, как резонансы, аномальное туннелирование, прозрачность и нулевое отражение. Как и материалы с отрицательным показателем преломления, SNG обладают изначальной дисперсией, поэтому их ε r , µ r и показатель преломления n являются функцией частоты. [36]
Гиперболические метаматериалы (ГММ) ведут себя как металл для определенной поляризации или направления распространения света и ведут себя как диэлектрик для другой из-за отрицательных и положительных компонентов тензора диэлектрической проницаемости, что дает чрезвычайную анизотропию . Дисперсионный закон материала в пространстве волновых векторов образует гиперболоид , поэтому его называют гиперболическим метаматериалом. Чрезвычайная анизотропия HMM приводит к направленному распространению света внутри и на поверхности. [38] HMM продемонстрировали различные потенциальные применения, такие как зондирование, модулятор отражения, [39] визуализация, управление оптическими сигналами, усиление эффектов плазмонного резонанса. [40]
Электромагнитные метаматериалы с запрещенной зоной (EBG или EBM) контролируют распространение света. Это достигается либо с помощью фотонных кристаллов (ПК), либо с помощью левых материалов (LHM). ПК могут вообще запретить распространение света. Оба класса могут позволять свету распространяться в определенных, заданных направлениях, и оба могут быть разработаны с шириной запрещенной зоны на желаемых частотах. [41] [42] Размер периода EBG составляет значительную часть длины волны, создавая конструктивные и деструктивные помехи.
ПК отличаются от субволновых структур, таких как перестраиваемые метаматериалы , поскольку свойства ПК определяются характеристиками запрещенной зоны. Размер ПК соответствует длине волны света, в отличие от других метаматериалов, которые обладают субволновой структурой. Более того, компьютеры функционируют за счет преломления света. Напротив, метаматериал не использует дифракцию. [43]
ПК имеют периодические включения, которые препятствуют распространению волн из-за разрушительной интерференции включений из-за рассеяния. Свойство фотонной запрещенной зоны ПК делает их электромагнитным аналогом электронных полупроводниковых кристаллов. [44]
Целью EBG является создание высококачественных периодических диэлектрических структур с низкими потерями. ЭБГ влияет на фотоны так же, как полупроводниковые материалы влияют на электроны. ПК являются идеальным материалом с запрещенной зоной, поскольку они не допускают распространения света. [45] Каждая единица предписанной периодической структуры действует как один атом, хотя и гораздо большего размера. [3] [45]
EBG предназначены для предотвращения распространения выделенной полосы частот для определенных углов прихода и поляризации . Для создания особых свойств EBG были предложены различные геометрии и структуры. На практике невозможно создать безупречное устройство ЭБГ. [3] [4]
EBG производятся для частот от нескольких гигагерц (ГГц) до нескольких терагерц (ТГц), радио-, микроволнового и среднего инфракрасного диапазонов частот. Разработки по применению EBG включают линию передачи , поленницы из квадратных диэлектрических стержней и несколько различных типов антенн с низким коэффициентом усиления . [3] [4]
Двойные положительные среды (ДПС) встречаются в природе, например, природные диэлектрики . Диэлектрическая и магнитная проницаемости положительны, и волна распространяется в прямом направлении. Созданы искусственные материалы, сочетающие в себе свойства ДПС, ЭНГ и МНГ. [3] [19]
Разделение метаматериалов на двойные, одинарные отрицательные или двойные положительные обычно предполагает, что метаматериал имеет независимые электрические и магнитные реакции, описываемые ε и µ. Однако во многих случаях электрическое поле вызывает магнитную поляризацию, а магнитное поле вызывает электрическую поляризацию, известную как магнитоэлектрическая связь. Такие среды называются биизотропными . Среды, которые обладают магнитоэлектрической связью и являются анизотропными (что характерно для многих структур метаматериалов [46] ), называются бианизотропными. [47] [48]
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 киральности и параметр Теллегена соответственно. В этом типе сред параметры материала не изменяются при изменении вдоль повернутой системы координат . В этом смысле они инвариантны или скалярны . [4]
Собственные магнитоэлектрические параметры κ и χ влияют на фазу волны. Эффект параметра киральности заключается в разделении показателя преломления. В изотропных средах это приводит к распространению волн только в том случае, если ε и µ имеют одинаковый знак. В биизотропных средах, где χ считается равным нулю, а κ - ненулевым значением, появляются другие результаты. Может возникнуть либо обратная волна, либо прямая волна. В качестве альтернативы могут возникнуть две прямые волны или две обратные волны, в зависимости от силы параметра киральности.
В общем случае определяющие соотношения для бианизотропных материалов имеют вид где и – тензоры диэлектрической и проницаемости соответственно, тогда как и – два магнитоэлектрических тензора. Если среда взаимна, диэлектрическая проницаемость и проницаемость являются симметричными тензорами, и , где – киральный тензор, описывающий киральный электромагнитный и взаимный 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 реципрокный бианизотропный ответ, и мы можем выделить следующие три основных класса: (i) киральные среды ( ), (ii) псевдохиральные среды ( ), (iii) омега-среды ( ).
Леворукость метаматериалов является потенциальным источником путаницы, поскольку в литературе по метаматериалам встречаются два противоречивых значения терминов « левша» и «правша» . Первый относится к одной из двух волн с круговой поляризацией, которые являются распространяющимися модами в киральных средах. Второе относится к тройке электрического поля, магнитного поля и вектора Пойнтинга, которые возникают в средах с отрицательным показателем преломления, которые в большинстве случаев не являются киральными.
Обычно хиральный и/или бианизотропный электромагнитный ответ является следствием 3D-геометрической киральности: 3D-хиральные метаматериалы состоят путем внедрения 3D-хиральных структур в исходную среду и демонстрируют эффекты поляризации, связанные с хиральностью, такие как оптическая активность и круговой дихроизм . Также существует концепция двумерной киральности , и плоский объект считается киральным, если его нельзя наложить на свое зеркальное изображение, пока он не будет поднят из плоскости. Было замечено, что 2D-хиральные метаматериалы, которые являются анизотропными и с потерями, демонстрируют направленно асимметричную передачу (отражение, поглощение) волн с круговой поляризацией из-за дихрозимного кругового преобразования. [49] [50] С другой стороны, бианизотропный ответ может возникнуть из-за геометрических ахиральных структур, не обладающих ни 2D, ни 3D внутренней киральностью. Плам и его коллеги исследовали магнитоэлектрическую связь из-за внешней киральности , когда расположение (ахиральной) структуры вместе с волновым вектором излучения отличается от ее зеркального изображения, и наблюдали большую, настраиваемую линейную оптическую активность, [51] нелинейную оптическую активность. , [52] зеркальная оптическая активность [53] и круговой конверсионный дихроизм. [54] Рицца и др. В [55] предложены одномерные киральные метаматериалы, в которых эффективный киральный тензор не обращается в нуль, если система геометрически одномерна киральна (зеркальное изображение всей структуры не может быть наложено на нее с помощью трансляций без вращений).
3D-хиральные метаматериалы создаются из хиральных материалов или резонаторов, в которых эффективный параметр киральности не равен нулю. Свойства распространения волн в таких киральных метаматериалах показывают, что отрицательное преломление может быть реализовано в метаматериалах с сильной киральностью и положительными и . [56] [57] Это связано с тем, что показатель преломления имеет разные значения для волн левой и правой круговой поляризации, определяемых выражением
Видно, что отрицательный индекс будет иметь место для одной поляризации, если > . В этом случае не обязательно, чтобы одно или оба значения и были отрицательными для распространения обратной волны. [4] Отрицательный показатель преломления из-за хиральности был впервые обнаружен одновременно и независимо Plum et al. [34] и Чжан и др. [35] 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 дополнительные изменения частот в одной среде вместо ограничительных ограничений фиксированной частотной характеристики . [58]
Эти метаматериалы используют разные параметры для достижения отрицательного показателя преломления в материалах, которые не являются электромагнитными. Более того, «новая конструкция упругих метаматериалов, которые могут вести себя как жидкости или твердые тела в ограниченном диапазоне частот, может открыть новые приложения, основанные на управлении акустическими, упругими и сейсмическими волнами ». [59] Их также называют механическими метаматериалами . [ нужна цитата ]
Акустические метаматериалы контролируют, направляют и манипулируют звуком в виде звуковых, инфразвуковых или ультразвуковых волн в газах , жидкостях и твердых телах . Как и электромагнитные волны, звуковые волны могут иметь отрицательное преломление. [16]
Управление звуковыми волнами в основном осуществляется посредством модуля объемного сжатия β , плотности массы ρ и киральности. Модуль объемного сжатия и плотность являются аналогами диэлектрической проницаемости и 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 возбуждаться соответствующими звуковыми частотами (например, звуковыми импульсами ).
Структурные метаматериалы обеспечивают такие свойства, как дробимость и легкий вес. Используя проекционную микростереолитографию , можно создавать микрорешетки, используя формы, очень похожие на фермы и балки . Созданы материалы на четыре порядка жёстче обычного аэрогеля , но с такой же плотностью. Такие материалы могут выдерживать нагрузку, превышающую их собственный вес как минимум в 160 000 раз, за счет чрезмерного сжатия материалов. [60] [61]
Керамический метаматериал нанофермы можно расплющить и вернуть в исходное состояние. [62]
Обычно материалы, встречающиеся в природе, будучи однородными, термически изотропны. То есть тепло проходит через них примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях. Однако термические метаматериалы обычно анизотропны из-за своей высокоорганизованной внутренней структуры. Примерами этого являются композиционные материалы с сильно ориентированными внутренними частицами или структурами, такие как волокна, например углеродные нанотрубки (УНТ).
Могут быть изготовлены метаматериалы, включающие ту или иную 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, а это означает, что их свойства изменяются лишь незначительно при больших изменениях интенсивности электромагнитного поля . Локальные электромагнитные поля включений в нелинейных метаматериалах могут значительно превышать среднее значение поля. Кроме того, были предсказаны и наблюдались замечательные нелинейные эффекты, если эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала очень мала (эпсилон-близкая к нулю среда). [63] [64] [65] Кроме того, экзотические свойства, такие как отрицательный показатель преломления, создают возможности для настройки условий фазового синхронизма , которые должны удовлетворяться в любой нелинейной оптической структуре.
В 2009 году Марк Бриан и Грэм Милтон [66] математически доказали, что в принципе можно инвертировать знак композита на основе трех материалов в 3D, состоящего только из материалов с коэффициентом Холла с положительным или отрицательным знаком. Позже в 2015 году Муамер Кадич и др. В работе [67] показано, что простая перфорация изотропного материала может привести к изменению знака коэффициента Холла. Это теоретическое утверждение было наконец экспериментально продемонстрировано Кристианом Керном и др. [68]
В 2015 году это также продемонстрировали Кристиан Керн и др. что анизотропная перфорация одного материала может привести к еще более необычному эффекту, а именно к параллельному эффекту Холла. [69] Это означает, что индуцированное электрическое поле внутри проводящей среды больше не ортогонально току и магнитному полю, а фактически параллельно последнему.
Метаматериалы терагерцового диапазона взаимодействуют на частотах терагерцового диапазона, обычно определяемых как от 0,1 до 10 ТГц . Терагерцовое излучение находится в дальнем конце инфракрасного диапазона, сразу после окончания микроволнового диапазона. Это соответствует длинам волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона от 3 мм ( диапазон КВЧ ) до 0,03 мм (длинноволновой край дальнего инфракрасного света).
Фотонный метаматериал взаимодействует с оптическими частотами ( средний инфракрасный диапазон ). Субволновой период отличает их от фотонных структур запрещенной зоны . [70] [71]
Настраиваемые метаматериалы позволяют произвольно регулировать частоту изменения показателя преломления. Настраиваемый метаматериал выходит за пределы ограничений полосы пропускания левых материалов за счет создания различных типов метаматериалов.
Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны , которые образуются в результате взаимодействия света с металлами- диэлектриками . При определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся распространяющиеся электромагнитные волны или поверхностные волны [72], известные как поверхностные плазмонные поляритоны . Объемные плазменные колебания делают возможным эффект отрицательной массы (плотности). [73] [74]
Метаматериалы рассматриваются для многих приложений. [75] Антенны из метаматериала коммерчески доступны.
В 2007 году один исследователь заявил, что для реализации приложений метаматериалов необходимо уменьшить потери энергии, материалы должны быть расширены до трехмерных изотропных материалов, а технологии производства должны быть индустриализированы. [76]
Метаматериальные антенны — это класс антенн , в которых для улучшения характеристик используются метаматериалы. [13] [19] [77] [78] Демонстрации показали, что метаматериалы могут увеличить излучаемую мощность антенны . [13] [79] Материалы, которые могут достигать отрицательной проницаемости, обладают такими свойствами, как малый размер антенны, высокая направленность и настраиваемая частота. [13] [19]
Поглотитель метаматериала манипулирует компонентами потерь диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериалов, чтобы поглотить большое количество электромагнитного излучения . [80] Это полезная функция для фотодетектирования [81] [82] и солнечных фотоэлектрических приложений. [83] Компоненты потерь также актуальны в приложениях отрицательного показателя преломления (фотонные метаматериалы, антенные системы) или оптике преобразования ( маскировка метаматериалов , небесная механика), но часто не используются в этих приложениях.
Суперлинза — это двух- или трехмерное устройство, в котором используются метаматериалы, обычно с отрицательными свойствами преломления, для достижения разрешения, выходящего за пределы дифракционного предела (в идеале, бесконечного разрешения). Такое поведение обеспечивается способностью дважды отрицательных материалов обеспечивать отрицательную фазовую скорость. Дифракционный предел присущ обычным оптическим устройствам или линзам. [84] [85]
Метаматериалы являются потенциальной основой для практического маскировочного устройства . Доказательство принципа было продемонстрировано 19 октября 2006 года. О существовании практических плащей общеизвестно не известно. [86] [87] [88] [89] [90] [91]
Обычно ЭПР уменьшают либо за счет радиопоглощающего материала (RAM), либо за счет специальной формы целей таким образом, чтобы рассеянную энергию можно было перенаправить от источника. Хотя RAM имеют узкий диапазон частот, формирование цели ограничивает аэродинамические характеристики цели. Совсем недавно были синтезированы метаматериалы или метаповерхности, которые могут перенаправлять рассеянную энергию от источника, используя либо теорию массивов [92] [93] [94] [95] или обобщенный закон Снелла. [96] [97] Это привело к аэродинамически выгодным формам целей с уменьшенной ЭПР.
Сейсмические метаматериалы противодействуют неблагоприятному воздействию сейсмических волн на искусственные конструкции. [10] [98] [99]
Метаматериалы, текстурированные наноразмерными морщинами, могут управлять звуковыми или световыми сигналами, например, изменять цвет материала или улучшать разрешение ультразвука . Область применения включает неразрушающий контроль материалов , медицинскую диагностику и шумоподавление . Материалы могут быть изготовлены с помощью высокоточного процесса многослойного осаждения. Толщину каждого слоя можно контролировать в пределах долей длины волны. Затем материал сжимается, создавая точные морщины, расстояние между которыми может вызвать рассеяние выбранных частот. [100] [101]
Метаматериалы можно интегрировать с оптическими волноводами для настройки управляемых электромагнитных волн ( метаволноводы ). [102] Субволновые структуры, такие как метаматериалы, могут быть интегрированы, например, с кремниевыми волноводами для разработки поляризационных светоделителей [103] и оптических соединителей, [104] добавляя новые степени свободы управления распространением света на наноуровне для интегрированных фотонных устройств. [105] Могут быть разработаны и другие приложения, такие как интегральные преобразователи мод, [106] поляризационные (демультиплексоры), [107] генерация структурированного света, [108] и встроенные биосенсоры [109] . [102]
Все материалы состоят из атомов , которые являются диполями . Эти диполи изменяют скорость света в n раз (показатель преломления). В разрезном кольцевом резонаторе элементы кольца и проволоки действуют как атомные диполи: проволока действует как сегнетоэлектрический атом, кольцо действует как индуктор L, а открытая часть действует как конденсатор C . Кольцо в целом действует как LC-цепь . Когда электромагнитное поле проходит через кольцо, создается индуцированный ток. Генерируемое поле перпендикулярно магнитному полю света. Магнитный резонанс приводит к отрицательной проницаемости; показатель преломления также отрицательный. (Линза не совсем плоская, поскольку емкость структуры приводит к наклону электрической индукции.)
Несколько (математических) моделей материалов, частотная характеристика в DNG. Одной из них является модель Лоренца , которая описывает движение электрона в терминах затухающего гармонического осциллятора . Модель релаксации Дебая применяется, когда компонент ускорения математической модели Лоренца мал по сравнению с другими компонентами уравнения. Модель Друде применяется, когда составляющая восстанавливающей силы незначительна, а коэффициент связи обычно 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, основанные на матрице рассеяния. Частица моделируется либо электрическим диполем, параллельным электрическому полю, либо парой скрещенных электрического и магнитного диполей, параллельных электрическому и магнитному полю соответственно приложенной волны. Эти диполи являются главными членами ряда мультиполей. Они единственные существующие для однородной сферы, поляризуемость которой легко получить из коэффициентов рассеяния Ми . В общем, эта процедура известна как «приближение точечного диполя», которое является хорошим приближением для метаматериалов, состоящих из композитов электрически малых сфер. К достоинствам этих методов относятся низкая стоимость вычислений и математическая простота. [110] [111]
Три концепции – среда с отрицательным показателем преломления, неотражающий кристалл и суперлинза – являются основой теории метаматериала. Другие методы анализа трехпериодических электромагнитных сред, основанные на первых принципах , можно найти в разделе «Вычисление структуры фотонных зон».
Инициатива многопрофильных университетских исследований (MURI) объединяет 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 . [112]
MURI поддерживает исследования, которые пересекают более чем одну традиционную науку и инженерную дисциплину, чтобы ускорить как исследования, так и их внедрение в приложения. Ожидалось, что по состоянию на 2009 год 69 академических учреждений примут участие в 41 исследовательской работе. [113]
Виртуальный институт искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов «Метаморфоза VI AISBL» — международная ассоциация по продвижению искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов. Он организует научные конференции, поддерживает специализированные журналы, создает и управляет исследовательскими программами, предоставляет программы обучения (включая PhD и программы обучения для промышленных партнеров); и передача технологий европейской промышленности. [114] [115]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( 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)