Отрицательное преломление

Эта статья может быть слишком технической, чтобы ее могло понять большинство читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технические детали. ( Июль 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Отрицательное преломление это электромагнитное явление , при котором световые лучи становятся преломляется на границе , которое противоположно их более обычно наблюдаемых положительных рефракционных свойств. Отрицательное преломление может быть получено с помощью метаматериала, который был разработан для достижения отрицательного значения для (электрической) диэлектрической проницаемости (ε) и (магнитной) проницаемости (μ); в таких случаях материалу может быть присвоен отрицательный показатель преломления . Такие материалы иногда называют материалами «двойного негатива». ^[1]

Отрицательное преломление возникает на границах раздела между материалами, у одного из которых есть обычная положительная фазовая скорость (т. Е. Положительный показатель преломления), а у другого - более экзотическая отрицательная фазовая скорость (отрицательный показатель преломления).

Отрицательная фазовая скорость [ править ]

Отрицательная фазовая скорость (NPV) - это свойство распространения света в среде . Есть разные определения NPV; наиболее распространенным является оригинальное предложение Виктора Веселаго о противостоянии волнового вектора и (Абрахама) вектора Пойнтинга . Другие определения включают оппозицию волнового вектора к групповой скорости и энергию к скорости. ^[2] «Фазовая скорость» используется условно, так как фазовая скорость имеет тот же знак, что и волновой вектор.

Типичный критерий, используемый для определения NPV Веселаго, состоит в том, что скалярное произведение вектора Пойнтинга и волнового вектора отрицательно (т. Е. Так ), но это определение не является ковариантным . Хотя это ограничение практически не имеет значения, критерий обобщен в ковариантной форме. ^[3] Среды Веселаго NPV также называют «левосторонними (мета) материалами», поскольку компоненты проходящих через них плоских волн (электрическое поле, магнитное поле и волновой вектор) подчиняются правилу левой руки, а не правому правилу. правило . Термины «левый» и «правый» обычно избегают, поскольку они также используются для обозначения хиральных сред. ${\ Displaystyle \ scriptstyle {\ vec {P}} \ cdot {\ vec {k}} <0}$

Отрицательный показатель преломления [ править ]

Сравнение рефракции в левом метаматериале с преломлением в нормальном материале

$Файл: Negative refraction.ogv$ Воспроизвести медиа

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

Можно отказаться от прямого рассмотрения вектора Пойнтинга и волнового вектора распространяющегося светового поля и вместо этого непосредственно учитывать реакцию материалов. Предполагая, что материал ахиральный, можно определить, какие значения диэлектрической проницаемости (ε) и проницаемости (µ) приводят к отрицательной фазовой скорости (NPV). Поскольку как ε, так и µ, как правило, являются сложными, их мнимые части не должны быть отрицательными, чтобы пассивный (то есть с потерями ) материал отображал отрицательное преломление. В этих материалах критерий отрицательной фазовой скорости выведен Депине и Лахтакиа как

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

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

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

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

,

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

В хиральных материалах [ править ]

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

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

.

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

Преломление [ править ]

Следствием отрицательного преломления является то, что световые лучи преломляются на той же стороне нормали при входе в материал, как показано на диаграмме, и в соответствии с общей формой закона Снеллиуса .

Ссылки [ править ]

^ Слюсарь, Vadym I. (2009-10-10). «Метаматериалы на антенные решения» (PDF) . Труды Международной конференции по теории и технике антенн : 19–24. DOI : 10,1109 / ICATT.2009.4435103 (неактивный 2021-01-20).CS1 maint: DOI inactive as of January 2021 (link)
^ Веселаго, Виктор G (1968-04-30). «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ВЕЩЕСТВ С ОДНОВРЕМЕННО ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ ε И μ». Успехи советской физики . 10 (4): 509–514. Bibcode : 1968SvPhU..10..509V . DOI : 10,1070 / pu1968v010n04abeh003699 . ISSN 0038-5670 .
^ MW McCall (2008). "Ковариантная теория распространения отрицательной фазовой скорости". Метаматериалы . 2 (2–3): 92. Bibcode : 2008MetaM ... 2 ... 92M . DOI : 10.1016 / j.metmat.2008.05.001 .
^ RA Depine и А. Лахтакиа (2004). «Новое условие для идентификации изотропных диэлектрических магнитных материалов, показывающих отрицательную фазовую скорость». Письма о микроволновых и оптических технологиях . 41 (4): 315–316. arXiv : физика / 0311029 . DOI : 10.1002 / mop.20127 . S2CID 6072651 .
^ П. Кинслер и MW McCall (2008). «Критерии отрицательного преломления в активных и пассивных средах». Письма о микроволновых и оптических технологиях . 50 (7): 1804. arXiv : 0806.1676 . DOI : 10.1002 / mop.23489 .
↑ Mackay, Tom G .; Лахтакия, Ахлеш (12.06.2009). «Отрицательное преломление, отрицательная фазовая скорость и противоположное положение в бианизотропных материалах и метаматериалах». Physical Review B . 79 (23): 235121. arXiv : 0903.1530 . Bibcode : 2009PhRvB..79w5121M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.79.235121 .
^ J. Skaar (2006). «О разрешении показателя преломления и волнового вектора». Письма об оптике . 31 (22): 3372–3374. arXiv : физика / 0607104 . Bibcode : 2006OptL ... 31.3372S . CiteSeerX 10.1.1.261.8030 . DOI : 10.1364 / OL.31.003372 . PMID 17072427 . S2CID 606747 .
^ Pendry, JB (2004). «Хиральный путь к отрицательному преломлению». Наука . 306 (5700): 1353–5. Bibcode : 2004Sci ... 306.1353P . DOI : 10.1126 / science.1104467 . PMID 15550665 . S2CID 13485411 .
^ Третьяков, С .; Нефедов, И .; Шивола, А .; Масловский, С .; Симовски, К. (2003). «Волны и энергия в киральной ничтожественности». Журнал электромагнитных волн и приложений . 17 (5): 695. arXiv : cond-mat / 0211012 . DOI : 10.1163 / 156939303322226356 . S2CID 119507930 .
^ Слива, E .; Чжоу, Дж .; Dong, J .; Федотов В.А.; Кошный, Т .; Soukoulis, CM; Желудев, Н.И. (2009). «Метаматериал с отрицательным индексом из-за хиральности» (PDF) . Physical Review B . 79 (3): 035407. Bibcode : 2009PhRvB..79c5407P . DOI : 10.1103 / PhysRevB.79.035407 .
^ Zhang, S .; Парк, Ю.-С .; Li, J .; Лу, X .; Zhang, W .; Чжан, X. (2009). «Отрицательный показатель преломления в хиральных метаматериалах». Письма с физическим обзором . 102 (2): 023901. Bibcode : 2009PhRvL.102b3901Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.023901 . PMID 19257274 .

См. Также [ править ]

Акустические метаматериалы
Метаматериал
Метаматериалы с отрицательным индексом
Антенны из метаматериала
Теория дисперсии с несколькими призмами
N-щелевое интерферометрическое уравнение
Идеальный объектив
Фотонные метаматериалы
Фотонный кристалл
Сейсмические метаматериалы
Резонатор с разъемным кольцом
Настраиваемые метаматериалы

Электромагнитные взаимодействия [ править ]

Теорема Блоха
Эффект Казимира
Диэлектрик
Электромагнетизм
ЭМ излучение
Электронная подвижность
Проницаемость (электромагнетизм) *
Разрешающая способность *
Волновое число
Фото-Дембер
Импеданс

[slyusarmeta-1] Слюсарь, Vadym I. (2009-10-10). «Метаматериалы на антенные решения» (PDF) . Труды Международной конференции по теории и технике антенн : 19–24. DOI : 10,1109 / ICATT.2009.4435103 (неактивный 2021-01-20).CS1 maint: DOI inactive as of January 2021 (link)

[2] Веселаго, Виктор G (1968-04-30). «ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ВЕЩЕСТВ С ОДНОВРЕМЕННО ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ ε И μ». Успехи советской физики . 10 (4): 509–514. Bibcode : 1968SvPhU..10..509V . DOI : 10,1070 / pu1968v010n04abeh003699 . ISSN 0038-5670 .

[3] MW McCall (2008). "Ковариантная теория распространения отрицательной фазовой скорости". Метаматериалы . 2 (2–3): 92. Bibcode : 2008MetaM ... 2 ... 92M . DOI : 10.1016 / j.metmat.2008.05.001 .

[4] RA Depine и А. Лахтакиа (2004). «Новое условие для идентификации изотропных диэлектрических магнитных материалов, показывающих отрицательную фазовую скорость». Письма о микроволновых и оптических технологиях . 41 (4): 315–316. arXiv : физика / 0311029 . DOI : 10.1002 / mop.20127 . S2CID 6072651 .

[5] П. Кинслер и MW McCall (2008). «Критерии отрицательного преломления в активных и пассивных средах». Письма о микроволновых и оптических технологиях . 50 (7): 1804. arXiv : 0806.1676 . DOI : 10.1002 / mop.23489 .

[6] Mackay, Tom G .; Лахтакия, Ахлеш (12.06.2009). «Отрицательное преломление, отрицательная фазовая скорость и противоположное положение в бианизотропных материалах и метаматериалах». Physical Review B . 79 (23): 235121. arXiv : 0903.1530 . Bibcode : 2009PhRvB..79w5121M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.79.235121 .

[7] J. Skaar (2006). «О разрешении показателя преломления и волнового вектора». Письма об оптике . 31 (22): 3372–3374. arXiv : физика / 0607104 . Bibcode : 2006OptL ... 31.3372S . CiteSeerX 10.1.1.261.8030 . DOI : 10.1364 / OL.31.003372 . PMID 17072427 . S2CID 606747 .

[8] Pendry, JB (2004). «Хиральный путь к отрицательному преломлению». Наука . 306 (5700): 1353–5. Bibcode : 2004Sci ... 306.1353P . DOI : 10.1126 / science.1104467 . PMID 15550665 . S2CID 13485411 .

[9] Третьяков, С .; Нефедов, И .; Шивола, А .; Масловский, С .; Симовски, К. (2003). «Волны и энергия в киральной ничтожественности». Журнал электромагнитных волн и приложений . 17 (5): 695. arXiv : cond-mat / 0211012 . DOI : 10.1163 / 156939303322226356 . S2CID 119507930 .

[10] Слива, E .; Чжоу, Дж .; Dong, J .; Федотов В.А.; Кошный, Т .; Soukoulis, CM; Желудев, Н.И. (2009). «Метаматериал с отрицательным индексом из-за хиральности» (PDF) . Physical Review B . 79 (3): 035407. Bibcode : 2009PhRvB..79c5407P . DOI : 10.1103 / PhysRevB.79.035407 .

[11] Zhang, S .; Парк, Ю.-С .; Li, J .; Лу, X .; Zhang, W .; Чжан, X. (2009). «Отрицательный показатель преломления в хиральных метаматериалах». Письма с физическим обзором . 102 (2): 023901. Bibcode : 2009PhRvL.102b3901Z . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.023901 . PMID 19257274 .

[1]