Metamateriál

Metamateriál je kompozitní materiál , jehož vlastnosti nejsou určovány ani tak vlastnostmi jeho základních prvků, ale uměle vytvořenou periodickou strukturou [1] [2] . Jsou to uměle vytvořená a speciálně strukturovaná prostředí s elektromagnetickými nebo akustickými vlastnostmi, kterých je technologicky obtížné dosáhnout nebo se v přírodě nevyskytují [3] [4] . Takové vlastnosti by měly být chápány jako speciální hodnoty fyzikálních parametrů média, například záporné hodnoty jak dielektrika ε, tak magnetickéhoμ propustnost, prostorové strukturování (lokalizace) rozložení těchto parametrů (zejména periodická změna indexu lomu jako u fotonických krystalů ), možnost řízení parametrů prostředí v důsledku vnějších vlivů (metamateriály s el. řízená dielektrická a magnetická permeabilita) atd. [5]

Předpona „meta-“ je z řečtiny přeložena jako „mimo“, což nám umožňuje interpretovat termín „metamateriály“ jako struktury, jejichž efektivní elektromagnetické vlastnosti přesahují vlastnosti jejich složek [3] [4] . Metamateriály jsou syntetizovány zaváděním různých periodických struktur s různými geometrickými tvary do původního přírodního materiálu, které modifikují dielektrickou a magnetickou χ susceptibilitu původního materiálu. Ve velmi hrubé aproximaci lze takové vložení považovat za extrémně velké atomy uměle zavedené do výchozího materiálu. Vývojář metamateriálů při jejich syntéze má možnost volit (variovat) různé volné parametry (velikosti struktur, tvar, konstantní a proměnná perioda mezi nimi atd.). $\chi _{e}$

Vlastnosti

Jednou z možných vlastností metamateriálů je negativní (neboli levostranný) index lomu , který se projevuje při současné záporné dielektrické a magnetické permeabilitě [3] [4] [6] .

Základy efektů

Rovnice pro šíření elektromagnetických vln v izotropním prostředí má tvar:

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

(jeden)

kde je vlnový vektor, je frekvence vlny, je rychlost světla, je druhá mocnina indexu lomu. Z těchto rovnic je zřejmé, že současná změna znamének dielektrické a magnetické permeability prostředí tyto vztahy nijak neovlivní. $k$ $\omega$ $C$ $n^{2}=\epsilon \mu$ $\epsilon$ $\mu$

"Vpravo" a "vlevo" izotropní média

Rovnice (1) byla získána na základě Maxwellovy teorie . Pro média, ve kterých je dielektrická a magnetická susceptibilita média současně kladná, tvoří tři vektory elektromagnetického pole - elektrický , magnetický a vlnový - systém tzv. pravé vektory: $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

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

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

Taková prostředí se nazývají „správná“.

Prostředí, pro která jsou , jsou současně záporné, se nazývají „levá“. Pro taková média tvoří elektrické , magnetické a vlnové vektory systém levých vektorů. $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

V anglicky psané literatuře mohou být popsané materiály nazývány materiály pro praváky a leváky nebo zkráceně RHM (vpravo) a LHM (vlevo).

Přenos energie pravým a levým vlněním

Tok energie přenášený vlnou je určen Poyntingovým vektorem , který je roven . Vektor vždy tvoří pravou trojici s vektory . Tak, pro pravé látky a jsou zaměřeny v jednom směru, a pro levou - v různých směrech. Protože se vektor shoduje ve směru s fázovou rychlostí, je zřejmé, že levé látky jsou látky s tzv. zápornou fázovou rychlostí. Jinými slovy, u levotočivých látek je fázová rychlost opačná k toku energie. V takových látkách je například pozorován obrácený Dopplerův jev a zpětné vlny . ${\vec {S}}$ ${\vec {S}}=(c/4\pi )\left[{\vec {E}}{\vec {H}}\right]$ ${\vec {S}}$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ ${\vec {S}}$ ${\vec {k}}$ ${\vec {k}}$

Rozptyl levého prostředí

Existence negativního indikátoru prostředí je možná, pokud má frekvenční rozptyl. Pokud současně , , pak energie vlny bude záporná (!). Jediný způsob, jak se tomuto rozporu vyhnout, je, pokud má médium frekvenční rozptyl a . $\epsilon<0$ $\mu<0$ $W=\epsilon E^{2}+\mu H^{2}$ $\partial \epsilon /\partial \omega$ $\partial \mu /\partial \omega$

Příklady šíření vln v levém prostředí

Superlens

John Pendry [7] a jeho kolegové v Physical Review Letters tvrdí, že je možné překonat difrakční mez rozlišení konvenční optiky v materiálech s negativním indexem lomu . Ve správném prostředí není obrazový prostor čočky totožný s objektem samotným, protože je tvořen bez tlumených vln . V levém prostředí se tlumené vlny nerozpadají, naopak se jejich amplituda zvětšuje, jak se vlna vzdaluje od objektu, takže obraz vzniká za účasti tlumených vln, což umožňuje získat snímky s lepším rozlišením . než difrakční mez .

První experimentálně demonstrovaná superčočka s negativním indexem lomu měla rozlišení třikrát lepší, než je limit difrakce. Experiment byl proveden s mikrovlnnými frekvencemi [8] . V optickém rozsahu byla superčočka implementována v roce 2005 [9] [10] . Jednalo se o čočku, která nevyužívala negativní lom, ale pro zesílení mizivých vln byla použita tenká vrstva stříbra.

Nejnovější[ upřesnit ] Pokroky v oblasti superčoček jsou přezkoumány v CE&N [11] . K vytvoření superčočky se používají střídající se vrstvy stříbra a fluoridu hořečnatého nanesené na substrát, na kterém je následně nařezána nanomřížka. V důsledku toho byla vytvořena trojrozměrná kompozitní struktura s negativním indexem lomu v blízké infračervené oblasti [12] . Ve druhém případě byl metamateriál vytvořen pomocí nanodrátů, které byly elektrochemicky pěstovány na porézním povrchu oxidu hlinitého [13] .

Počátkem roku 2007 bylo oznámeno vytvoření metamateriálu s negativním indexem lomu ve viditelné oblasti. Index lomu materiálu při vlnové délce 780 nm byl −0,6 [14] .

Metapovrchy

Dvourozměrným analogem metamateriálů jsou metapovrchy. Metapovrchy jsou zvláště vhodné pro řízení světla, protože mívají nižší ztráty než hromadné metamateriály a lze je snadněji vyrobit [15] .

Metapovrch používaný jako čočka pro světlo se nazývá metalens. Má malou velikost, plochý tvar, tloušťku nepřesahující mikrometr, pokrytou nanostrukturami ve formě výstupků nebo otvorů. [16]

Aplikace

Bylo oznámeno vytvoření metamateriálu s negativním indexem lomu ve viditelné oblasti, schopného skrýt trojrozměrný objekt. Materiál tvoří zlaté nanoantény podporované zlatem a fluoridem hořečnatým [17] . Využití metamateriálů při tvorbě maskovacího chytrého oblečení pro armádu je slibnější než alternativní přístupy [18] .

Vzhledem k jejich negativnímu indexu lomu jsou metamateriály ideální pro maskování objektů, protože je nelze detekovat rádiovou inteligencí . Avšak existující metamateriály pouze v první aproximaci mají negativní index lomu, což vede k významným sekundárním reemisím [19] .

Roste zájem o použití metamateriálů v rádiových aplikacích a zejména v anténní technice. Hlavní oblasti jejich použití [3] [4] [20] : výroba substrátů a emitorů v tištěných anténách pro dosažení širokopásmového připojení a zmenšení velikosti anténních prvků; kompenzace reaktivity elektricky malých antén v širokém frekvenčním pásmu, včetně těch přesahujících základní limit Chu [21] ; dosažení úzké prostorové orientace elementárních zářičů ponořených do metamédia; výroba antén pro povrchové vlny; snížení vzájemného ovlivňování mezi prvky anténních polí, včetně zařízení MIMO ; odpovídající klakson a další typy antén.

Historie

První práce v tomto směru pocházejí z 19. století. V roce 1898 provedl Jagadis Chandra Bose první mikrovlnný experiment ke studiu polarizačních vlastností struktur, které vytvořil se zakřivenou konfigurací [3] [4] . V roce 1914 Lindman působil na umělá média, což byla sada náhodně orientovaných malých drátů stočených do spirály a zapuštěných do média, které je fixovalo [3] [4] . V letech 1946–1948 Winston E. Kok jako první vytvořil mikrovlnné čočky pomocí vodivých kuliček, disků a periodicky rozmístěných kovových proužků, které vlastně tvořily umělé médium se specifickou hodnotou efektivního indexu lomu [3] [4] . Podrobný popis historie problematiky lze nalézt v díle V. M. Agranoviče a Yu. N. Gartshteina [22] a také v publikacích Vadima Slyusara [3] [4] . Ve většině případů začíná historie problematiky materiálů s negativním indexem lomu zmínkou o práci sovětského fyzika Viktora Veselaga , publikované v časopise Uspekhi fizicheskikh nauk v roce 1967 [23] . Článek hovořil o možnosti existence materiálu s negativním indexem lomu , kterému se říkalo "levoruký". Autor došel k závěru, že s takovým materiálem se výrazně mění téměř všechny známé optické jevy šíření vln, ačkoliv v té době ještě nebyly známy materiály s negativním indexem lomu. Zde je však třeba poznamenat, že ve skutečnosti se o takových „levostranných“ médiích hovořilo mnohem dříve v díle Sivukhina [24] a v článcích Pafomova [25] .

V posledních letech byly prováděny intenzivní studie jevů spojených s negativním indexem lomu [26] . Důvodem zintenzivnění těchto studií byl vznik nové třídy uměle upravených materiálů se speciální strukturou, které se nazývají metamateriály. Elektromagnetické vlastnosti metamateriálů jsou určeny prvky jejich vnitřní struktury, umístěnými podle daného schématu na mikroskopické úrovni. Vlastnosti těchto materiálů lze proto upravit tak, aby měly širší rozsah elektromagnetických charakteristik, včetně negativního indexu lomu.

Veselago předpověděl, že určité optické jevy budou zcela odlišné v materiálech s negativním indexem lomu. Snad nejnápadnější z nich je lom , vychýlení elektromagnetické vlny , když prochází rozhraním mezi dvěma médii. Za normálních podmínek se vlna objeví na opačné straně čáry probíhající kolmo k této hranici ( kolmo k povrchu). Pokud má však jeden materiál kladný index lomu a druhý záporný index lomu, vlna se objeví na stejné straně normály povrchu jako příchozí vlna. Zvláštní vlastností metamateriálů je také silná disperze .

Mechanické vlastnosti kompozitů

Příkladem metamateriálů s neobvyklými mechanickými vlastnostmi jsou auxetiky (materiály s negativním Poissonovým poměrem), vytvořené na bázi "obrácené voštiny" [27] a vrstvené materiály, které při speciálním výběru charakteristik vrstev mají negativní koeficient roztažnosti napříč vrstvami [28] .

Viz také

Fotonický krystal

Poznámky

↑ Engheta, Nader; Ziolkowski, Richard W. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations . - John Wiley & Sons & IEEE Press , 2006. - P. xv, 3-30, 37, 143-150, 215-234, 240-256. — 440p. - ISBN 978-0-471-76102-0 .
↑ David R. Smith. Metamateriály (anglicky) . metaskupina . Duke University . Získáno 22. 8. 2015. Archivováno z originálu 7. 9. 2015.
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamateriály v anténní technice: historie a základní principy // Elektronika: věda, technika, obchod. - 2009. - č. 7 . - S. 70-79 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamateriály v anténní technologii: základní principy a výsledky // First Mile. Last Mile (Dodatek k časopisu "Electronics: Science, Technology, Business"). - 2010. - č. 3-4 . - S. 44-60 .
↑ PostNauka Ildar Gabitov 29. března 2017 Metamateriály archivovány 23. září 2018 na Wayback Machine
↑ Orlov A. A., Yankovskaya E. A., Belov P. A., Zhukovsky S. V. Extrakce materiálových parametrů plasmonické multivrstvy z koeficientů odrazu a přenosu // Vědeckotechnický bulletin informačních technologií, mechaniky a optiky. - Univerzita ITMO , 2014. - 1-2 ( Issue 1 (89) ). — ISSN 2226-1494 .
↑ Publikace - Profesor Sir John Pendry . Imperial College London . Získáno 22. 8. 2015. Archivováno z originálu 6. 9. 2015.
↑ A. Grbic, G. V. Eleftheriades. Překonání difrakčního limitu pomocí planární levotočivé transmisní čočky // Physical Review Letters . - 2004. - Sv. 92. - S. 117403. - doi : 10.1103/PhysRevLett.92.117403 .
↑ Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang. Sub-Diffraction - Limited Optical Imaging with Silver Superlens // Science . - 2005. - 22. dubna (roč. 308, č. 5721 ). - S. 534-537. - doi : 10.1126/science.1108759 . — PMID 15845849 .
↑ Sarah Youngová. Nová superčočka otevírá dveře optickému zobrazování v nanoměřítku, optoelektronice s vysokou hustotou . Upozornění Eurek! Science News (21. dubna 2005). Získáno 22. 8. 2015. Archivováno z originálu 24. 9. 2015.
↑ Metamateriály ohýbají světlo na nové úrovně // Chemické a inženýrské novinky. - 2008. - 18. srpna (roč. 86, č. 33 ). — str. 25.
↑ J. Valentine; Valentine, J.; Zhang, S.; Zentgraf, T.; Ulin-Avila, E.; Genov, D. A.; Bartal, G.; Zhang, X. a kol. Trojrozměrný optický metamateriál s negativním indexem lomu // Nature: journal. - 2008. - Sv. 455 , č.p. 7211 . - str. 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. a kol. Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires (anglicky) // Science : journal. - 2008. - Sv. 321 , č.p. 5891 . — S. 930 . - doi : 10.1126/science.1157566 . — PMID 18703734 .
↑ Kerry Gibson. Bylo zjištěno, že metamateriály fungují pro viditelné světlo . Upozornění Eurek! Science News (4. ledna 2007). Získáno 22. srpna 2015. Archivováno z originálu 15. února 2012.
↑ M. A. Remněv, V. V. Klimov. Metasurfaces: nový pohled na Maxwellovy rovnice a nové metody řízení světla // UFN. - 2018. - T. 188. - S. 169-205. - doi : 10.3367/UFNr.2017.08.038192 .
↑ Alberto Moscatelli. Drobné čočky pro miniaturní přístroje // Ve světě vědy . - 2020. - č. 1 . - S. 11-12 .
↑ Plášť neviditelnosti se stal skutečností (nepřístupný odkaz) . tan-blog.ru. Získáno 22. února 2016. Archivováno z originálu 4. března 2016. (neurčitý)
↑ Vadim Slyusar. Neviditelný muž? Snadno! // Konstruktor. - 2002. - č. 11 .
↑ Pendry JB, Smith DR. Hledání superčočky // Scientific American . - Springer Nature , 2006. - Sv. 295. - S. 60-67 . — ISSN 0036-8733 .
↑ Vadim Slyusar. Metamateriály v návrzích antén // Elektronika: věda, technologie, obchod. - 2009. - č. 8 . - S. 66-70 .
↑ Vadim Slyusar. 60 let teorie elektricky malých antén. Některé výsledky // Elektronika: věda, technologie, obchod. - 2006. - č. 7 . - S. 10-19 .
↑ V. M. Agranovich, Yu. N. Gartshtein. Prostorová disperze a negativní lom světla // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Ruská akademie věd , 2006. - říjen ( sv. 176 ). - S. 1051-1068 . - doi : 10.3367/UFNr.0176.200610c.1051 . (Ruština)
↑ Veselago, V. G. Elektrodynamika látek se současně zápornými hodnotami ε a μ // Uspekhi fizicheskikh nauk . — M .: Nauka . Hlavní vydání fyzikální a matematické literatury, 1967. - červenec ( v. 92 ). - S. 517-526 . - doi : 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517 . (Ruština)
↑ Sivukhin D.V. // Optics and Spectroscopy, Vol. 3, S. 308 (1957)
↑ Pafomov V. E. // ZhETF, V. 36, S. 1853 (1959); T. 33, S. 1074 (1957); T. 30, S. 761 (1956)
↑ Sedm objevů, které změní naše životy v příštích 10 letech Archivní kopie z 12. března 2016 na Wayback Machine ze série SCIENCE IN FOCUS na Echo Moskvy, prosinec 2014
↑ A. G. Kolpakov. [Elsevier http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021892885900115 Určení průměrných charakteristik elastických struktur] // Aplikovaná matematika a mechanika. - 1985. - č. 6 . - S. 969-977 . Archivováno z originálu 24. září 2015.
↑ Kolpakov A. G., Rakin S. I. K problému syntézy jednorozměrného kompozitního materiálu se specifikovanými charakteristikami // Zhurn PMTF. - 1986. - č. 6 . - S. 143-150 .

Literatura

Michio Kaku . I.2. Neviditelnost // Fyzika nemožného = Michio Kaku. Fyzika nemožného. - M .: Alpina literatura faktu , 2009. - 456 s. - ISBN 978-5-91671-024-3 .

Odkazy

DNA origami pomohlo vytvořit samoskládající se neviditelný materiál . Lenta.ru (23. srpna 2011). Staženo: 22. srpna 2015. (neurčitý)

Slovníky a encyklopedie	Skvělý norský Britannica (online)
V bibliografických katalozích	GND : 7547278-8 NDL : 01154681 NKC : ph508945