Metamateriale

Metamateriale er et kompositmateriale , hvis egenskaber ikke så meget bestemmes af egenskaberne af dets bestanddele, men af en kunstigt skabt periodisk struktur [1] [2] . De er kunstigt dannede og specielt strukturerede miljøer med elektromagnetiske eller akustiske egenskaber, som er teknologisk vanskelige at opnå eller ikke findes i naturen [3] [4] . Sådanne egenskaber skal forstås som specielle værdier af mediets fysiske parametre, for eksempel negative værdier af både den dielektriske ε og magnetiske μ permeabilitet, den rumlige strukturering (lokalisering) af fordelingen af værdierne af disse parametre (især den periodiske ændring i brydningsindekset, som i fotoniske krystaller ), evnen til at kontrollere miljøets parametre som følge af ydre påvirkninger (metamaterialer med elektrisk styret dielektrisk og magnetisk permeabilitet) osv. [5 ]

Præfikset "meta-" er oversat fra græsk til "udenfor", hvilket giver os mulighed for at fortolke udtrykket "metamaterialer" som strukturer, hvis effektive elektromagnetiske egenskaber går ud over egenskaberne af deres bestanddele [3] [4] . Metamaterialer syntetiseres ved at indføre forskellige periodiske strukturer med forskellige geometriske former i det originale naturmateriale, som modificerer den dielektriske og magnetiske χ-følsomhed af det originale materiale. I en meget grov tilnærmelse kan sådanne indsættelser betragtes som ekstremt store atomer, der kunstigt indføres i det oprindelige materiale. Udvikleren af metamaterialer under deres syntese har mulighed for at vælge (variere) forskellige frie parametre (størrelser af strukturer, form, konstant og variabel periode mellem dem osv.). $\chi _{e}$

Egenskaber

En af de mulige egenskaber ved metamaterialer er et negativt (eller venstresidet) brydningsindeks , som viser sig, når den dielektriske og magnetiske permeabilitet samtidig er negative [3] [4] [6] .

Grundlæggende om effekt

Ligningen for udbredelsen af elektromagnetiske bølger i et isotropisk medium har formen:

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

(en)

hvor er bølgevektoren, er frekvensen af bølgen, er lysets hastighed, er kvadratet af brydningsindekset. Ud fra disse ligninger er det indlysende, at den samtidige ændring af tegn på mediets dielektriske og magnetiske permeabilitet ikke vil påvirke disse forhold på nogen måde. $k$ $\omega$ $c$ $n^{2}=\epsilon \mu$ $\epsilon$ $\mu$

"Højre" og "venstre" isotrope medier

Ligning (1) blev opnået på grundlag af Maxwells teori . For medier, hvor mediets dielektriske og magnetiske følsomhed samtidigt er positive, danner tre vektorer af det elektromagnetiske felt - elektrisk , magnetisk og bølge - et system af den såkaldte. højre vektorer: $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

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

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

Sådanne miljøer kaldes henholdsvis "rigtige".

Miljøer, for hvilke , samtidig er negative, kaldes "venstre". For sådanne medier danner de elektriske , magnetiske og bølgevektorer et system af venstre vektorer. $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

I den engelsksprogede litteratur kan de beskrevne materialer kaldes højre- og venstrehåndede materialer, eller forkortes til henholdsvis RHM (højre) og LHM (venstre).

Energioverførsel ved højre og venstre bølge

Energifluxen båret af bølgen bestemmes af Poynting-vektoren , som er lig med . En vektor danner altid en ret tripel med vektorer . Således, for de rigtige stoffer og er rettet i én retning, og til venstre - i forskellige retninger. Da vektoren falder sammen i retning med fasehastigheden, er det tydeligt, at de venstre stoffer er stoffer med den såkaldte negative fasehastighed. Med andre ord, i venstrehåndede stoffer er fasehastigheden modsat energistrømmen. I sådanne stoffer observeres for eksempel den omvendte Doppler-effekt og bagudgående bølger . ${\vec {S}}$ ${\vec {S}}=(c/4\pi )\venstre[{\vec {E}}{\vec {H}}\højre]$ ${\vec {S}}$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ ${\vec {S}}$ ${\vec {k}}$ ${\vec {k}}$

Spredning af det venstre miljø

Eksistensen af en negativ indikator for miljøet er mulig, hvis den har en frekvensspredning. Hvis på samme tid , , så vil energien af bølgen være negativ (!). Den eneste måde at undgå denne modsigelse er, hvis mediet har en frekvensspredning og . $\epsilon<0$ $\mu<0$ $W=\epsilon E^{2}+\mu H^{2}$ $\delvis \epsilon /\delvis \omega$ $\delvis \mu /\delvis \omega$

Eksempler på bølgeudbredelse i venstre medium

Superlens

John Pendry [7] og hans kolleger i Physical Review Letters hævder, at det er muligt at overvinde diffraktionsgrænsen for opløsning af konventionel optik i materialer med et negativt brydningsindeks . I det rigtige miljø er linsens billedrum ikke identisk med selve objektet, da det er dannet uden dæmpede bølger . I venstre medium henfalder dæmpede bølger ikke, tværtimod stiger deres amplitude i takt med at bølgen bevæger sig væk fra objektet, hvorfor billedet dannes med deltagelse af dæmpede bølger, hvilket kan gøre det muligt at få billeder med bedre opløsning end diffraktionsgrænsen .

Den første eksperimentelt demonstrerede superlinse med et negativt brydningsindeks havde en opløsning tre gange bedre end diffraktionsgrænsen. Forsøget blev udført med mikrobølgefrekvenser [8] . I det optiske område blev superlinsen implementeret i 2005 [9] [10] . Det var en linse, der ikke brugte negativ brydning, men et tyndt lag sølv blev brugt til at forstærke de flygtige bølger.

Seneste[ klargør ] Fremskridt inden for superlinser er gennemgået i CE&N [11] . For at skabe en superlinse bruges skiftende lag af sølv og magnesiumfluorid aflejret på et substrat, hvorpå der derefter skæres et nanogitter. Som et resultat blev der skabt en tredimensionel sammensat struktur med et negativt brydningsindeks i det nære infrarøde område [12] . I det andet tilfælde blev metamaterialet skabt ved hjælp af nanotråde, som blev elektrokemisk dyrket på en porøs aluminiumoxidoverflade [13] .

I begyndelsen af 2007 blev oprettelsen af et metamateriale med et negativt brydningsindeks i det synlige område annonceret. Materialets brydningsindeks ved en bølgelængde på 780 nm var -0,6 [14] .

Metasurfaces

Den todimensionelle analog af metamaterialer er metasurfaces. Metasurfaces er særligt velegnede til at kontrollere lys, da de har tendens til at have lavere tab end bulk-metamaterialer og er lettere at fremstille [15] .

En metasflade, der bruges som linse til lys, kaldes en metalens. Den har en lille størrelse, en flad form, en tykkelse, der ikke overstiger en mikrometer, dækket af nanostrukturer i form af fremspring eller huller. [16]

Ansøgning

Det blev annonceret skabelsen af et metamateriale med et negativt brydningsindeks i det synlige område, der er i stand til at skjule et tredimensionelt objekt. Materialet består af guld nanoantenner understøttet af guld og magnesiumfluorid [17] . Brugen af metamaterialer i skabelsen af smart camouflage-tøj til militæret er mere lovende end alternative tilgange [18] .

På grund af deres negative brydningsindeks er metamaterialer ideelle til at skjule genstande, da de ikke kan detekteres af radiointelligens . Imidlertid har eksisterende metamaterialer kun i den første tilnærmelse et negativt brydningsindeks, hvilket fører til betydelige sekundære re-emissioner [19] .

Der er en stigende interesse for brugen af metamaterialer i radioapplikationer og især i antenneteknologi . Hovedområderne for deres anvendelse [3] [4] [20] : fremstilling af substrater og emittere i trykte antenner for at opnå bredbånd og reducere størrelsen af antenneelementer; kompensation for reaktiviteten af elektrisk små antenner i et bredt frekvensbånd, inklusive dem, der overskrider den fundamentale grænse for Chu [21] ; opnåelse af en snæver rumlig orientering af elementære emittere nedsænket i metamediet; Fremstilling af overfladebølgeantenner; reduktion af gensidig påvirkning mellem elementer af antennearrays, herunder i MIMO -enheder; matchende horn og andre typer antenner.

Historie

De første værker i denne retning går tilbage til det 19. århundrede. I 1898 gennemførte Jagadis Chandra Bose det første mikrobølgeeksperiment for at studere polarisationsegenskaberne af de strukturer, han skabte med en buet konfiguration [3] [4] . I 1914 handlede Lindman på kunstige medier, som var et sæt tilfældigt orienterede små ledninger snoet til en spiral og indlejret i et medium, der fikserede dem [3] [4] . I 1946-1948 Winston E. Kok var den første til at skabe mikrobølgelinser ved hjælp af ledende kugler, diske og periodisk adskilte metalstrimler, som faktisk dannede et kunstigt medium med en specifik værdi af det effektive brydningsindeks [3] [4] . En detaljeret beskrivelse af problemets historie kan findes i V. M. Agranovichs og Yu. N. Gartshteins arbejde [22] såvel som i Vadim Slyusars publikationer [3] [4] . I de fleste tilfælde begynder historien om spørgsmålet om materialer med et negativt brydningsindeks med en omtale af den sovjetiske fysiker Viktor Veselagos arbejde , offentliggjort i tidsskriftet Uspekhi fizicheskikh nauk i 1967 [23] . Artiklen talte om muligheden for eksistensen af et materiale med et negativt brydningsindeks , som blev kaldt "venstrehåndet". Forfatteren kom til den konklusion, at med et sådant materiale ændrer næsten alle kendte optiske fænomener af bølgeudbredelse sig betydeligt, selvom materialer med et negativt brydningsindeks endnu ikke var kendt på det tidspunkt. Her skal det dog bemærkes, at sådanne "venstresidede" medier faktisk blev diskuteret meget tidligere i Sivukhins arbejde [24] og i papirer af Pafomov [25] .

I de senere år er der blevet udført intensive undersøgelser af fænomener forbundet med et negativt brydningsindeks [26] . Årsagen til intensiveringen af disse undersøgelser var fremkomsten af en ny klasse af kunstigt modificerede materialer med en særlig struktur, som kaldes metamaterialer. De elektromagnetiske egenskaber af metamaterialer bestemmes af elementerne i deres indre struktur, placeret i henhold til et givet skema på mikroskopisk niveau. Derfor kan egenskaberne af disse materialer modificeres, så de har en bredere række af elektromagnetiske egenskaber, herunder et negativt brydningsindeks.

Veselago forudsagde, at visse optiske fænomener ville være helt anderledes i materialer med et negativt brydningsindeks. Den måske mest slående af disse er brydning , afbøjningen af en elektromagnetisk bølge , når den passerer gennem en grænseflade mellem to medier. Under normale forhold vises bølgen på den modsatte side af en linje, der løber vinkelret på denne grænse ( normalt på overfladen). Men hvis et materiale har et positivt brydningsindeks, og det andet har et negativt brydningsindeks, vil bølgen vises på samme side af overfladenormalen som den indkommende bølge. Også en særlig egenskab ved metamaterialer er stærk spredning .

Mekaniske egenskaber af kompositter

Eksempler på metamaterialer med usædvanlige mekaniske egenskaber er auxetik (materialer med negativt Poisson-forhold), skabt på basis af den "omvendte honeycomb" [27] og lagdelte materialer, som med et særligt udvalg af lagenes karakteristika har en negativ udvidelseskoefficient på tværs af lagene [28] .

Se også

Fotonisk krystal

Noter

↑ Engheta, Nader; Ziolkowski, Richard W. Metamaterialer: Fysik og ingeniørudforskning . - John Wiley & Sons & IEEE Press , 2006. - P. xv, 3-30, 37, 143-150, 215-234, 240-256. - 440 sider. - ISBN 978-0-471-76102-0 .
↑ David R. Smith. Metamaterialer (engelsk) . metagruppe . Duke University . Hentet 22. august 2015. Arkiveret fra originalen 7. september 2015.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamaterialer i antenneteknologi: historie og grundlæggende principper // Elektronik: videnskab, teknologi, forretning. - 2009. - Nr. 7 . - S. 70-79 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamaterialer i antenneteknologi: grundlæggende principper og resultater // First Mile. Last Mile (tillæg til tidsskriftet "Electronics: Science, Technology, Business"). - 2010. - Nr. 3-4 . - S. 44-60 .
↑ PostNauka Ildar Gabitov 29. marts 2017 Metamaterials Arkiveret 23. september 2018 på Wayback Machine
↑ Orlov A. A., Yankovskaya E. A., Belov P. A., Zhukovsky S. V. Ekstraktion af materialeparametre for et plasmonisk flerlag fra refleksion og transmissionskoefficienter // Videnskabelig og teknisk bulletin af informationsteknologier, mekanik og optik. - ITMO University , 2014. - 1-2 ( Issue 1 (89) ). — ISSN 2226-1494 .
↑ Publikationer - Professor Sir John Pendry . Imperial College London . Hentet 22. august 2015. Arkiveret fra originalen 6. september 2015.
↑ A. Grbic, G. V. Eleftheriades. Overvindelse af diffraktionsgrænsen med en plan venstrehåndstransmissionslinse // Fysiske gennemgangsbogstaver . - 2004. - Bd. 92. - S. 117403. - doi : 10.1103/PhysRevLett.92.117403 .
↑ Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang. Sub-diffraktionsbegrænset optisk billeddannelse med en sølvsuperlinse // Videnskab . - 2005. - 22. april (bd. 308, nr. 5721 ). - S. 534-537. - doi : 10.1126/science.1108759 . — PMID 15845849 .
↑ Sarah Young. Ny superlinse åbner døren til optisk billeddannelse i nanoskala, optoelektronik med høj tæthed . Eurek Alert! Videnskabsnyheder (21. april 2005). Hentet 22. august 2015. Arkiveret fra originalen 24. september 2015.
↑ Metamaterialer bøjer lys til nye niveauer // Chemical & Engineering News. - 2008. - 18. august (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. Tredimensionelt optisk metamateriale med et negativt brydningsindeks // Nature: journal. - 2008. - Bd. 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 (engelsk) // Science : journal. - 2008. - Bd. 321 , nr. 5891 . — S. 930 . - doi : 10.1126/science.1157566 . — PMID 18703734 .
↑ Kerry Gibson. Metamaterialer viste sig at virke for synligt lys . Eurek Alert! Videnskabsnyheder (4. januar 2007). Hentet 22. august 2015. Arkiveret fra originalen 15. februar 2012.
↑ M. A. Remnev, V. V. Klimov. Metasurfaces: et nyt kig på Maxwells ligninger og nye metoder til lysstyring // UFN. - 2018. - T. 188. - S. 169-205. - doi : 10.3367/UFNr.2017.08.038192 .
↑ Alberto Moscatelli. Små linser til miniature-enheder // I videnskabens verden . - 2020. - Nr. 1 . - S. 11-12 .
↑ Usynlighedens kappe er blevet en realitet (utilgængeligt link) . tan-blog.ru. Hentet 22. februar 2016. Arkiveret fra originalen 4. marts 2016. (ubestemt)
↑ Vadim Slyusar. Usynlig mand? Nem peasy! // Konstruktør. - 2002. - Nr. 11 .
↑ Pendry JB, Smith DR. Jagten på superlinsen // Scientific American . - Springer Nature , 2006. - Vol. 295. - S. 60-67 . — ISSN 0036-8733 .
↑ Vadim Slyusar. Metamaterialer i antennedesign // Elektronik: videnskab, teknologi, forretning. - 2009. - Nr. 8 . - S. 66-70 .
↑ Vadim Slyusar. 60 år med teorien om elektrisk små antenner. Nogle resultater // Elektronik: videnskab, teknologi, forretning. - 2006. - Nr. 7 . - S. 10-19 .
↑ V. M. Agranovich, Yu. N. Gartshtein. Rumlig spredning og negativ lysbrydning // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Russian Academy of Sciences , 2006. - Oktober ( vol. 176 ). - S. 1051-1068 . - doi : 10.3367/UFNr.0176.200610c.1051 . (Russisk)
↑ Veselago, V. G. Elektrodynamik af stoffer med samtidig negative værdier af ε og μ // Uspekhi fizicheskikh nauk . — M .: Nauka . Hovedudgaven af fysisk og matematisk litteratur, 1967. - Juli ( v. 92 ). - S. 517-526 . - doi : 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517 . (Russisk)
↑ Sivukhin D.V. // Optics and Spectroscopy, bind 3, S. 308 (1957)
↑ Pafomov V. E. // ZhETF, V. 36, S. 1853 (1959); T. 33, S. 1074 (1957); T. 30, S. 761 (1956)
↑ Syv opdagelser, der vil ændre vores liv i de næste 10 år Arkiveksemplar dateret 12. marts 2016 på Wayback Machine fra SCIENCE IN FOCUS-serien om Echo of Moscow, december 2014
↑ A. G. Kolpakov. [Elsevier http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021892885900115 For at bestemme de gennemsnitlige karakteristika for elastiske rammer] // Anvendt matematik og mekanik. - 1985. - Nr. 6 . - S. 969-977 . Arkiveret fra originalen den 24. september 2015.
↑ Kolpakov A. G., Rakin S. I. Om problemet med at syntetisere et endimensionelt kompositmateriale med specificerede egenskaber // Zhurn PMTF. - 1986. - Nr. 6 . - S. 143-150 .

Litteratur

Michio Kaku . I.2. Usynlighed // Det umuliges fysik = Michio Kaku. Det Umuliges Fysik. - M . : Alpina faglitteratur , 2009. - 456 s. - ISBN 978-5-91671-024-3 .

Links

DNA-origami hjalp med at skabe det selvsamlende usynlige materiale . Lenta.ru (23. august 2011). Hentet: 22. august 2015. (ubestemt)

Ordbøger og encyklopædier	Fantastisk norsk Britannica (online)
I bibliografiske kataloger	GND : 7547278-8 NDL : 01154681 NKC : ph508945