Метаматериал

Конфигурация матрицы из метаматериала с отрицательным показателем преломления , которая была построена из медных кольцевых резонаторов и проводов, установленных на блокировочных листах печатной платы из стекловолокна. Общий массив состоит из 3 по 20 × 20 элементарных ячеек с габаритными размерами 10 мм × 100 мм × 100 мм (0,39  в × 3,94 × в 3,94 дюйма). ^{[1] [2]}

Метаматериал (от греческого слова μετά меты , что означает «за» и латинское слово Материя , то есть «материя» или «материал») является любым материалом разработан , чтобы иметь свойство , которое не встречается в природе материалов. ^[3] Они состоят из сборок множества элементов, изготовленных из композитных материалов, таких как металлы и пластмассы. Материалы обычно располагаются в виде повторяющихся узоров в масштабе, меньшем, чем длины волн явлений, на которые они влияют. Метаматериалы получают свои свойства не из свойств основных материалов, а из их недавно разработанных структур. Их точныеформа , геометрия , размер , ориентация и расположение придают им интеллектуальные свойства, позволяющие манипулировать электромагнитными волнами : блокируя, поглощая, усиливая или изгибая волны, для достижения преимуществ, выходящих за рамки того, что возможно с обычными материалами.

Правильно спроектированные метаматериалы могут воздействовать на волны электромагнитного излучения или звука так, как это не наблюдается в объемных материалах. ^{[4] [5] [6]} Те, которые демонстрируют отрицательный показатель преломления для определенных длин волн, были предметом большого количества исследований. ^{[7] [8] [9]} Эти материалы известны как метаматериалы с отрицательным показателем преломления .

Потенциальные применения метаматериалов разнообразны и включают оптические фильтры , медицинские устройства , удаленные аэрокосмические приложения, обнаружение датчиков и мониторинг инфраструктуры , интеллектуальное управление солнечной энергией , контроль толпы , обтекатели , высокочастотную связь на поле боя и линзы для антенн с высоким коэффициентом усиления, улучшение ультразвуковых датчиков. , и даже ограждающие конструкции от землетрясений . ^{[10] [11] [12] [13]} Метаматериалы обладают потенциалом для создания суперлинз.. Такая линза может позволить получать изображения ниже дифракционного предела, что является минимальным разрешением, которое может быть достигнуто с помощью обычных стеклянных линз. Форма «невидимости» была продемонстрирована с использованием материалов с градиентным показателем преломления . Акустические и сейсмические метаматериалы также являются областью исследований. ^{[10] [14]}

Исследования метаматериалов являются междисциплинарными и включают в себя такие области, как электротехника , электромагнетизм , классическая оптика , физика твердого тела , микроволновая и антенная техника , оптоэлектроника , материаловедение , нанонаука и полупроводниковая техника. ^[5]

История [ править ]

Исследования искусственных материалов для управления электромагнитными волнами начались в конце 19 века. Некоторые из самых ранних структур, которые можно рассматривать как метаматериалы, были изучены Джагадиш Чандра Бозе , который в 1898 году исследовал вещества с хиральными свойствами. Карл Фердинанд Линдман изучал взаимодействие волн с металлическими спиралями как искусственные хиральные среды в начале двадцатого века.

В конце 1940-х годов Уинстон Э. Кок из AT&T Bell Laboratories разработал материалы, которые имели характеристики, аналогичные метаматериалам. В 1950-х и 1960-х годах изучались искусственные диэлектрики для легких микроволновых антенн . Поглотители микроволновых радаров исследовались в 1980-х и 1990-х годах как приложения для искусственных хиральных сред. ^{[5] [15] [16]}

Материалы с отрицательным показателем преломления были впервые теоретически описаны Виктором Веселаго в 1967 году. ^[17] 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. ^[9]

В 2000 году Джон Пендри был первым, кто определил практический способ создания левого метаматериала, материала, в котором не соблюдается правило правой руки . ^[17] Такой материал позволяет электромагнитной волне передавать энергию (иметь групповую скорость ) в зависимости от ее фазовой скорости . Идея Пендри заключалась в том, что металлические проволоки, выровненные вдоль направления волны, могут обеспечивать отрицательную диэлектрическую проницаемость ( диэлектрическая проницаемость ε <0). Природные материалы (например, сегнетоэлектрики) отображать отрицательную диэлектрическую проницаемость; проблема заключалась в достижении отрицательной проницаемости (µ <0). В 1999 году Пендри продемонстрировал, что разрезное кольцо (С-образной формы) с осью, расположенной вдоль направления распространения волны, может это делать. В той же статье он показал, что периодический массив проводов и колец может вызвать отрицательный показатель преломления. Пендри также предложил родственную конструкцию с отрицательной проницаемостью - швейцарский рулон .

В 2000 году Дэвид Р. Смит и др. сообщил об экспериментальной демонстрации функционирования электромагнитных метаматериалов путем горизонтальной укладки, периодически , сплит-кольцевых резонаторов и тонкие структурами проволоки. В 2002 году был предложен метод реализации метаматериалов с отрицательным показателем преломления с использованием линий передачи с искусственными сосредоточенными элементами в микрополосковой технологии. В 2003 году были продемонстрированы комплексный (как действительная, так и мнимая части) отрицательный показатель преломления ^[18] и визуализация с помощью плоской линзы ^[19] с использованием левых метаматериалов. К 2007 году многие группы проводили эксперименты с отрицательным показателем преломления . ^[4][13] На микроволновых частотах первая несовершенная маскировка-невидимка была реализована в 2006 году. ^{[20] [21] [22] [23] [24]}

Электромагнитные метаматериалы [ править ]

Электромагнитный метаматериал воздействует 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 характеристики должны быть намного меньше длины волны. ^{[ необходима цитата ]}

Для микроволнового излучения характеристики порядка миллиметров . Метаматериалы СВЧ-диапазона обычно состоят из массивов электропроводящих элементов (таких как петли из проводов), которые имеют подходящие индуктивные и емкостные характеристики. Во многих микроволновых метаматериалах используются резонаторы с разъемным кольцом . ^{[6] [7]}

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, имеют сходство с субволновыми структурными метаматериалами. Однако их обычно считают отличными от метаматериалов, поскольку их функция возникает из-за дифракции или интерференции, и поэтому они 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 примерно 560 нм (для солнечного света). Фотонно-кристаллические структуры обычно составляют половину этого размера или меньше, то есть <280 нм. ^{[ необходима 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 демонстрировать субволновые характеристики и известны как искусственные магнитные проводники (AMC) или поверхности с высоким импедансом (HIS). FSS отображают индуктивные и емкостные характеристики, которые напрямую связаны с их субволновой структурой. ^[25]

Электромагнитные метаматериалы можно разделить на следующие классы: ^{[4] [17] [5] [26]}

Отрицательный показатель преломления [ править ]

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». ^[4] NIM, где отрицательный показатель преломления возникает из-за одновременно отрицательной диэлектрической проницаемости и отрицательной проницаемости, также известны как двойные отрицательные метаматериалы или двойные отрицательные материалы (DNG). ^[17]

Предполагая, что материал хорошо аппроксимируется реальной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью, соотношение между диэлектрической проницаемостью , проницаемостью и показателем преломления n определяется выражением . Все известные неметаматериальные прозрачные материалы (стекло, вода, ...) обладают позитивом и . По соглашению для n используется положительный квадратный корень . Однако у некоторых искусственно созданных метаматериалов есть и . Поскольку продукт является положительным, п является реальным . В таких условиях необходимо извлечь квадратный корень отрицательного значения для n . Когда оба и${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$ ${\ displaystyle \ mu _ {r}}$ ${\ Displaystyle \ scriptstyle п = \ pm {\ sqrt {\ epsilon _ {\ mathrm {r}} \ mu _ {\ mathrm {r}}}}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$${\ displaystyle \ mu _ {r}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$${\ displaystyle \ mu _ {r} <0}$${\ displaystyle \ epsilon _ {r} \ mu _ {r}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$${\ displaystyle \ mu _ {r}}$положительные (отрицательные), волны распространяются в прямом ( обратном ) направлении. Электромагнитные волны не могут распространяться в материалах с и противоположны по знаку , как показатель преломления становится мнимой . Такие материалы непрозрачны для электромагнитного излучения, и примеры включают плазмонные материалы, такие как металлы ( золото , серебро и т. Д.).${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$${\ displaystyle \ mu _ {r}}$

Вышеизложенные соображения являются упрощенными для реальных материалов, которые должны иметь комплексные значения и . Реальные части обоих и не должны быть отрицательными, чтобы пассивный материал отображал отрицательное преломление. ^{[27] [28]} Действительно, отрицательный показатель преломления для волн с круговой поляризацией также может возникать из-за хиральности. ^{[29] [30]} Метаматериалы с отрицательным n обладают множеством интересных свойств: ^{[5] [31]}${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$${\ displaystyle \ mu _ {r}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {r}}$${\ displaystyle \ mu _ {r}}$

• Закон Снеллиуса ( n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂ ) по-прежнему описывает рефракцию, но поскольку n ₂ отрицательно, падающие и преломленные лучи находятся на одной стороне нормали к поверхности на границе раздела материалов с положительным и отрицательным показателями преломления.
• Черенковское излучение указывает на обратное. ^{[ требуется дальнейшее объяснение ]}
• Усредненный по времени вектор Пойнтинга является антипараллельно к фазовой скорости . Однако для распространения волн (энергии) необходимо, чтобы a - µ было спарено с a - ε , чтобы обеспечить зависимость волнового числа от параметров материала .${\ displaystyle kc = \ omega {\ sqrt {\ mu \ epsilon}}}$

Отрицательный показатель преломления математически определяется векторным триплетом E , H и k . ^[5]

Для плоских волн, распространяющихся в электромагнитных метаматериалах, электрическое поле, магнитное поле и волновой вектор подчиняются правилу левой руки , обратному поведению обычных оптических материалов.

На сегодняшний день только метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления. ^{[4] [31] [32]}

Один негативный [ править ]

Одиночные отрицательные (SNG) метаматериалы имеют либо отрицательную относительную диэлектрическую проницаемость (ε r ), либо отрицательную относительную проницаемость (µ r ), но не оба сразу. ^[17] Они действуют как метаматериалы в сочетании с другим дополнительным SNG, совместно действующим как DNG.

Негативные носители Epsilon (ENG) показывают отрицательное значение ε r, тогда как μ r положительное. ^{[4] [31] [17]} Многие плазмы обладают этой характеристикой. Например, благородные металлы, такие как золото или серебро, являются ENG в инфракрасном и видимом спектрах .

Мю-отрицательные среды (MNG) показывают положительный ε r и отрицательный μ r . ^{[4] [31] [17]} Гиротропные или гиромагнитные материалы обладают этой характеристикой. Гиротропный материал - это материал, который был изменен наличием квазистатического магнитного поля , обеспечивающего магнитооптический эффект . ^{[ необходима цитата ]} Магнитооптический эффект - это явление, при котором электромагнитная волна распространяется через такую ​​среду. В таком материале эллиптические поляризации, вращающиеся влево и вправо, могут распространяться с разными скоростями. 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 плиты из материала ENG и плиты из материала MNG привело к таким свойствам, как резонансы, аномальное туннелирование, прозрачность и нулевое отражение. Подобно материалам с отрицательным коэффициентом преломления, SNG по своей природе являются дисперсионными, поэтому их ε r , µ r и показатель преломления n являются функцией частоты. ^[31]

Гиперболический [ править ]

Гиперболические метаматериалы (ГММ) ведут себя как металл для определенной поляризации или направления распространения света и ведут себя как диэлектрик для другого из-за отрицательной и положительной составляющих тензора диэлектрической проницаемости, что приводит к экстремальной анизотропии . Соотношение дисперсии материала в пространстве волнового вектора образует гиперболоид, и поэтому его называют гиперболическим метаматериалом. Чрезвычайная анизотропия ГММ приводит к направленному распространению света внутри и на поверхности. ^[33] ГММ продемонстрировали различные потенциальные применения, такие как зондирование, визуализация, управление оптическими сигналами, усиленные эффекты плазмонного резонанса. ^[34]

Bandgap [ править ]

Электромагнитные запрещенные метаматериалы (EBG или EBM) контролируют распространение света. Это достигается либо с фотонными кристаллами (ПК), либо с левыми материалами (LHM). ПК могут вообще запретить распространение света. Оба класса могут позволить свету распространяться в определенных, заданных направлениях, и оба могут быть разработаны с запрещенными зонами на желаемых частотах. ^{[35] [36]} Размер периода EBG составляет значительную часть длины волны, создавая конструктивную и деструктивную интерференцию.

ПК отличается от субволновых структур, таких как перестраиваемые метаматериалы , потому что ПК получает свои свойства от характеристик запрещенной зоны. Размеры ПК соответствуют длине волны света, в отличие от других метаматериалов, которые демонстрируют субволновую структуру. Кроме того, ПК функционируют за счет рассеивания света. Напротив, метаматериал не использует дифракцию. ^[37]

ПК имеют периодические включения, которые препятствуют распространению волн из-за деструктивной интерференции включений от рассеяния. Свойство фотонной запрещенной зоны ПК делает их электромагнитным аналогом электронных полупроводниковых кристаллов. ^[38]

EBG предназначены для создания высококачественных периодических диэлектрических структур с низкими потерями. EBG влияет на фотоны так же, как полупроводниковые материалы влияют на электроны. ПК - идеальный материал для запрещенной зоны, потому что они не пропускают свет. ^[39] Каждая единица заданной периодической структуры действует как один атом, хотя и гораздо большего размера. ^{[4] [39]}

EBG предназначены для предотвращения распространения выделенной полосы частот для определенных углов прихода и поляризаций . Для придания EBG особых свойств были предложены различные геометрии и структуры. На практике невозможно построить безупречный прибор EBG. ^{[4] [5]}

EBG были изготовлены для частот от нескольких гигагерц (ГГц) до нескольких терагерц (ТГц), для радио, микроволнового и среднего инфракрасного диапазонов частот. Разработки EBG включают в себя линию передачи , поленницы из квадратных диэлектрических стержней и несколько различных типов антенн с низким коэффициентом усиления . ^{[4] [5]}

Двойная позитивная среда [ править ]

Двойные положительные среды (ДПС) действительно встречаются в природе, например, диэлектрики природного происхождения . Проницаемость и магнитная проницаемость положительны, и волна распространяется в прямом направлении. Созданы искусственные материалы, сочетающие свойства ДПС, ЭНГ и МНГ. ^{[4] [17]}

Би-изотропные и бианизотропные [ править ]

Разделение метаматериалов на двойные или одиночные 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 называются биизотропными . Среды, обладающие магнитоэлектрической связью и являющиеся анизотропными (что характерно для многих структур из метаматериалов ^[40] ), называются бианизотропными. ^{[41] [42]}

Магнитоэлектрической связи биизотропных сред присущи четыре материальных параметра. Это напряженность электрического ( E ) и магнитного ( H ) поля, а также плотности электрического ( D ) и магнитного ( B ) потока. Этими параметрами являются ε, µ, κ и χ или диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, сила хиральности и параметр Теллегена, соответственно. В этом типе сред параметры материала не меняются при изменении вращающейся системы координат . В этом смысле они инвариантны или скалярны . ^[5]

Собственные магнитоэлектрические параметры κ и χ влияют на фазу волны. Параметр хиральности влияет на показатель преломления. В изотропных средах это приводит к распространению волн только в том случае, если ε и µ имеют один и тот же знак. В биизотропных средах, где χ предполагается равным нулю, а κ - ненулевым значением, появляются разные результаты. Может возникнуть либо обратная волна, либо прямая волна. В качестве альтернативы могут возникать две прямые волны или две обратные волны, в зависимости от силы параметра хиральности.

В общем случае определяющие соотношения для бианизотропных материалов читаются как где и - тензоры диэлектрической проницаемости и проницаемости, соответственно, тогда как и - два магнитоэлектрических тензора. Если среда обратная, диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость являются симметричными тензорами, и , где - хиральный тензор, описывающий киральный электромагнитный и обратный магнитоэлектрический отклик. Киральный тензор можно выразить как , где - след${\ Displaystyle \ mathbf {D} = \ epsilon \ mathbf {E} + \ xi \ mathbf {H},}$${\ Displaystyle \ mathbf {B} = \ zeta \ mathbf {E} + \ mu \ mathbf {H},}$${\ displaystyle \ epsilon}$${\ displaystyle \ mu}$${\ displaystyle \ xi}$${\ displaystyle \ zeta}$${\ Displaystyle \ xi = - \ zeta ^ {T} = - я \ каппа ^ {T}}$${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle \kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J}$${\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )}$${\displaystyle \kappa }$, I - единичная матрица, N - симметричный тензор без следов, J - антисимметричный тензор. Такое разложение позволяет нам классифицировать взаимный бианизотропный ответ, и мы можем выделить следующие три основных класса: (i) хиральные среды ( ), (ii) псевдохиральные среды ( ), (iii) омега-среды ( ).${\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0}$${\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0}$${\displaystyle \operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0}$

Chiral [ править ]

Ручное управление метаматериалами является потенциальным источником путаницы, поскольку в литературе по метаматериалам встречаются два конфликтующих использования терминов левый и правый . Первый относится к одной из двух волн с круговой поляризацией, которые распространяются в киральных средах. Второй 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 встраивания трехмерных хиральных структур в среду хозяина, и они демонстрируют связанные с хиральностью эффекты поляризации, такие как оптическая активность и круговой дихроизм . Также существует концепция двумерной хиральности, и плоский объект называется хиральным, если он не может быть наложен на свое зеркальное изображение, если он не поднимается с плоскости. Было обнаружено, что 2D-хиральные метаматериалы, которые являются анизотропными и подверженными потерям, демонстрируют направленную асимметричную передачу (отражение, поглощение) волн с круговой поляризацией из-за дихрозии кругового преобразования. ^{[43] [44]}С другой стороны, бианизотропный отклик может возникать из-за геометрических ахиральных структур, не обладающих ни двумерной, ни трехмерной внутренней хиральностью. Плам и его коллеги исследовали магнитоэлектрическую связь из-за внешней хиральности , когда расположение (ахиральной) структуры вместе с волновым вектором излучения отличается от ее зеркального изображения, и наблюдали большую настраиваемую линейную оптическую активность, ^[45] нелинейную оптическую активность. , ^[46] зеркальная оптическая активность ^[47] и дихроизм кругового преобразования. ^[48] Рицца и др. ^[49] предложил одномерные киральные метаматериалы, в которых эффективный киральный тензор не обращается в нуль, если система геометрически одномерная киральная (зеркальное изображение всей структуры не может быть наложено на нее с помощью трансляций без поворотов).

3D-киральные метаматериалы конструируются из хиральных материалов или резонаторов, в которых эффективный параметр хиральности отличен от нуля. Свойства распространения волн в таких хиральных метаматериалах демонстрируют, что отрицательное преломление может быть реализовано в метаматериалах с сильной хиральностью и положительными и . ^{[50] [51]} Это связано с тем, что показатель преломления имеет разные значения для волн с левой и правой круговой поляризацией, которые задаются формулой${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}}$${\displaystyle n}$

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

Видно, что отрицательный индекс будет иметь место для одной поляризации, если > . В этом случае не обязательно, чтобы одно или оба и были отрицательными для распространения обратной волны. ^[5] Отрицательный показатель преломления из-за хиральности впервые одновременно и независимо наблюдали Plum et al. ^[29] и Zhang et al. ^[30] в 2009 году.${\displaystyle \kappa }$${\displaystyle {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}}$

На основе FSS [ править ]

Частотно-селективные поверхностные метаматериалы блокируют сигналы в одном диапазоне волн и пропускают их в другом диапазоне. Они стали альтернативой метаматериалам с фиксированной частотой. Они допускают необязательные изменения частот в одной среде, а не ограничивающие ограничения фиксированной частотной характеристики . ^[52]

Другие типы [ править ]

Эластичный [ править ]

Эти метаматериалы используют разные параметры для достижения отрицательного показателя преломления в материалах, которые не являются электромагнитными. Кроме того, «новая конструкция для 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 ». ^[53] Их также называют механическими метаматериалами . ^{[ необходима цитата ]}

Акустический [ править ]

Акустические метаматериалы управляют, направляют и управляют звуком в виде звуковых , инфразвуковых или ультразвуковых волн в газах , жидкостях и твердых телах . Как и в случае с электромагнитными волнами, звуковые волны могут иметь отрицательное преломление. ^[14]

Управление звуковыми волнами в основном достигается за счет модуля объемной упругости β , массовой плотности ρ и хиральности. Объемный модуль и плотность являются аналогами диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости в электромагнитных метаматериалах. С этим связана механика распространения звуковых волн в решетчатой структуре. ^[54] 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 ).

Структурный [ править ]

Структурные метаматериалы обладают такими свойствами, как разрушаемость и малый вес. Используя проекционную микростереолитографию, микрорешетки можно создавать, используя формы, похожие на фермы и балки . Были созданы материалы на четыре порядка жестче обычного аэрогеля , но с такой же плотностью. Такие материалы могут выдерживать нагрузку, по крайней мере, в 160 000 раз превышающую их собственный вес, за счет чрезмерного ограничения материалов. ^{[55] [56]}

Керамический метаматериал нанотрубок можно сплющить и вернуть в исходное состояние. ^[57]

Нелинейный [ править ]

Могут быть изготовлены метаматериалы, которые включают в себя некоторые формы 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 обнаружены замечательные нелинейные эффекты, если эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала очень мала (эпсилон-среда, близкая к нулю). ^{[58] [59] [60]}Кроме того, экзотические свойства, такие как отрицательный показатель преломления, создают возможности для адаптации условий фазового синхронизма, которые должны выполняться в любой нелинейно-оптической структуре.

Метаматериалы Холла [ править ]

В 2009 году Марк Брайан и Грэм Милтон ^[61] математически доказали, что в принципе можно изменить знак композита на основе трех материалов в трехмерном пространстве, сделанном только из материалов с положительным или отрицательным знаком коэффициентов Холла. Позже в 2015 году Муамер Кадич и др. ^[62] показали, что простая перфорация изотропного материала может привести к изменению его знака коэффициента Холла. Это теоретическое утверждение было наконец экспериментально продемонстрировано Christian Kern et al. ^[63]

В 2015 году это также продемонстрировали Christian Kern et al. что анизотропная перфорация одного материала может привести к еще более необычному эффекту, а именно к параллельному эффекту Холла. ^[64] Это означает, что индуцированное электрическое поле внутри проводящей среды больше не ортогонально току и магнитному полю, а фактически параллельно последним.

Полосы частот [ править ]

Терагерц [ править ]

Метаматериалы терагерцового диапазона взаимодействуют на частотах терагерцового диапазона, обычно 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 ( КВЧ- диапазон) до 0,03 мм (длинноволновый край дальнего инфракрасного света).

Фотонный [ править ]

Фотонные метаматериалы взаимодействуют с оптическими частотами ( средний инфракрасный диапазон ). Период ниже длины волны отличает их от фотонных структур с запрещенной зоной . ^{[65] [66]}

Настраиваемый [ править ]

Перестраиваемые метаматериалы позволяют произвольно регулировать частотные изменения показателя преломления. Настраиваемый метаматериал выходит за рамки ограничений полосы пропускания левосторонних материалов, создавая различные типы метаматериалов.

Плазмонный [ править ]

Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны , которые возникают в результате взаимодействия света с металлами- диэлектриками . В определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся распространяющиеся электромагнитные волны или поверхностные волны ^[67], известные как поверхностные плазмонные поляритоны . Объемные плазменные колебания делают возможным эффект отрицательной массы (плотности). ^{[68] [69]}

Приложения [ править ]

Метаматериалы рассматриваются для многих приложений. ^[70] Антенны из метаматериала коммерчески доступны.

В 2007 году один исследователь заявил, что для реализации применений метаматериалов необходимо уменьшить потери энергии, преобразовать материалы в трехмерные изотропные материалы и внедрить производственные технологии. ^[71]

Антенны [ править ]

Антенны из метаматериалов - это класс антенн , в которых используются метаматериалы для повышения производительности. ^{[13] [17] [72] [73]} Демонстрации показали, что метаматериалы могут увеличивать излучаемую мощность антенны . ^{[13] [74]} Материалы, которые могут достигать отрицательной проницаемости, обладают такими свойствами, как небольшой размер антенны, высокая направленность и настраиваемая частота. ^{[13] [17]}

Абсорбер [ править ]

Поглотитель из метаматериала управляет составляющими потерь диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериалов, чтобы поглотить большое количество электромагнитного излучения . Это полезная функция для фотодетектирования ^{[75] [76]} и солнечных фотоэлектрических приложений. ^[77] Компоненты потерь также важны в приложениях с отрицательным показателем преломления (фотонные метаматериалы, антенные системы) или трансформирующей оптики ( маскировка метаматериала , небесная механика), но часто не используются в этих приложениях.

Superlens [ править ]

A суперлинза состоит из двух или трехмерное устройства , которое использует метаматериалы, как правило , с отрицательными свойствами преломления, чтобы достичь разрешения за пределами дифракционного предела ( в идеале, бесконечное разрешение). Такое поведение обеспечивается способностью материалов с двойным отрицанием давать отрицательную фазовую скорость. Предел дифракции присущ обычным оптическим устройствам или линзам. ^{[78] [79]}

Маскирующие устройства [ править ]

Метаматериалы - потенциальная основа для практического маскирующего устройства . Доказательство принципа было продемонстрировано 19 октября 2006 года Нет практические плащи публично известны, существует. ^{[80] [81] [82] [83] [84] [85]}

RCS (Radar Cross Section), уменьшающий метаматериалы [ править ]

Обычно RCS снижается либо за счет поглощающего материала радара (RAM), либо за счет целенаправленного формирования целей таким образом, чтобы рассеянная энергия могла быть перенаправлена ​​от источника. В то время как RAM имеют узкую полосу 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 ^{[86] [87] [88] [89],} либо обобщенный закон Снеллиуса. ^{[90] [91]} Это привело к созданию аэродинамически благоприятных форм для целей с уменьшенным RCS.

Сейсмическая защита [ править ]

Сейсмические метаматериалы противодействуют неблагоприятному воздействию сейсмических волн на искусственные сооружения. ^{[10] [92] [93]}

Звуковая фильтрация [ править ]

Метаматериалы, текстурированные с наноразмерными морщинами, могут управлять звуковыми или световыми сигналами, такими как изменение цвета материала или улучшение разрешения ультразвука . Области применения включают неразрушающий контроль материалов , медицинскую диагностику и подавление звука . Материалы могут быть изготовлены с помощью высокоточного многослойного процесса осаждения. Толщиной каждого слоя можно управлять в пределах доли длины волны. Затем материал сжимается, создавая точные складки, расстояние между которыми может вызвать рассеяние выбранных частот. ^{[94] [95]}

Теоретические модели [ править ]

Все материалы состоят из атомов , которые являются диполями . Эти диполи изменяют скорость света в n раз (показатель преломления). В разрезной кольцевом резонаторе кольцо и проволочные блоки действуют как атомные диполи: провод выступает в качестве сегнетоэлектрического атома, в то время как кольцо действует как индуктор L, в то время как открытый участок 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 конструкции определяет наклон для электрической индукции.)

Несколько (математических) материалов моделируют частотную характеристику в DNG. Одной из них является модель Лоренца , которая описывает движение электронов в терминах гармонического осциллятора с затуханием . Модель релаксации Дебая применяется, когда компонент ускорения математической модели Лоренца мала по сравнению с другими компонентами уравнения. Модель Друде применяется, когда составляющая возвращающей силы пренебрежимо мала, а коэффициент связи, как правило, представляет собой плазменную частоту . Другие различия компонентов требуют использования одной из этих моделей, в зависимости от ее полярности или назначения. ^[4]

Трехмерные композиты металлических / неметаллических включений, периодически / случайно внедренные в матрицу с низкой диэлектрической проницаемостью, обычно моделируются аналитическими методами, включая формулы смешения и методы, основанные на матрице 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 ряду мультиполей. Они единственные существующие для однородной сферы, поляризуемость которой легко получить из рассеяния Микоэффициенты. 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 можно отнести невысокую стоимость вычислений и математическую простоту. ^{[96] [97]}

Три концепции - среда с отрицательным показателем преломления, неотражающий кристалл и суперлинза - являются основами теории метаматериалов. Другие методы первых принципов для анализа трехпериодических электромагнитных сред можно найти в разделе «Вычисление структуры фотонной зоны»

Институциональные сети [ править ]

МУРИ [ править ]

Междисциплинарная университетская исследовательская инициатива (MURI) охватывает десятки университетов и несколько государственных организаций. Участвующие университеты включают Калифорнийский университет в Беркли, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Калифорнийский университет в Сан-Диего, Массачусетский технологический институт и Имперский колледж в Лондоне. Спонсоры - Управление военно-морских исследований и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов . ^[98]

MURI поддерживает исследования, которые пересекают более чем одну традиционную науку и инженерные дисциплины, чтобы ускорить как исследования, так и перевод в приложения. Ожидается, что по состоянию на 2009 год 69 академических учреждений примут участие в 41 исследовательской работе. ^[99]

Метаморфоза [ править ]

Виртуальный институт искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов «Метаморфоза VI AISBL» - это международная ассоциация по продвижению искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов. Он организует научные конференции, поддерживает специализированные журналы, создает исследовательские программы и управляет ими, предоставляет программы обучения (включая программы докторантуры и программы обучения для промышленных партнеров); и передача технологий европейской промышленности. ^{[100] [101]}

См. Также [ править ]

• Метаповерхность
• Искусственные диэлектрики - макроскопические аналоги диэлектриков природного происхождения, которые вошли в использование с помощью радиолокационных микроволновых технологий, разработанных между 1940-ми и 1970-ми годами.
• METATOY ( мета материал е о г ра у ы) -composed супер-волновых структур, таких как небольшие массивы призм и линз и могут работать в широкой полосе частот
• Магноника
• Метаматериалы (журнал)
• Справочник по метаматериалам
• Метаматериалы: физика и инженерные изыскания

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с метаматериалами, на Викискладе?