Metaanyag

A metaanyag olyan összetett anyag , amelynek tulajdonságait nem annyira az alkotóelemeinek tulajdonságai határozzák meg, hanem egy mesterségesen létrehozott periodikus szerkezet [1] [2] . Mesterségesen kialakított és speciálisan strukturált környezetek elektromágneses vagy akusztikus tulajdonságokkal, amelyek technológiailag nehezen elérhetőek, vagy nem találhatók meg a természetben [3] [4] . Az ilyen tulajdonságok alatt a közeg fizikai paramétereinek speciális értékeit kell érteni, például a dielektromos ε és a mágneses μ permeabilitás negatív értékeit, az értékek eloszlásának térbeli strukturálását (lokalizációját). ezek a paraméterek (különösen a törésmutató periodikus változása, mint a fotonikus kristályoknál ), a környezet paramétereinek külső hatások hatására történő szabályozásának képessége (elektromosan szabályozott dielektromos és mágneses permeabilitású metaanyagok) stb . ]

A "meta-" előtag görögül "kívül"-nek van fordítva, ami lehetővé teszi számunkra, hogy a "metaanyagok" kifejezést olyan szerkezetekként értelmezzük, amelyek effektív elektromágneses tulajdonságai túlmutatnak az alkotóelemeik tulajdonságain [3] [4] . A metaanyagokat úgy állítják elő, hogy az eredeti természetes anyagba különböző geometriai formájú, periodikus struktúrákat visznek be, amelyek módosítják az eredeti anyag dielektromos és mágneses χ szuszceptibilitását. Nagyon durva közelítéssel az ilyen inszerciók a kiindulási anyagba mesterségesen bevitt rendkívül nagy atomoknak tekinthetők. A metaanyagok fejlesztőjének a szintézis során lehetősége van különféle szabad paraméterek kiválasztására (változtatására) (szerkezetek mérete, alakja, közöttük lévő állandó és változó periódus stb.). $\chi _{e}$

Tulajdonságok

A metaanyagok egyik lehetséges tulajdonsága a negatív (vagy baloldali) törésmutató , amely akkor nyilvánul meg, ha a dielektromos és a mágneses permeabilitás egyidejűleg negatív [3] [4] [6] .

Az effektusok alapjai

Az elektromágneses hullámok izotróp közegben való terjedésének egyenlete a következő:

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

(egy)

ahol a hullámvektor, a hullám frekvenciája, a fénysebesség, a törésmutató négyzete. Ezekből az egyenletekből nyilvánvaló, hogy a közeg dielektromos és mágneses permeabilitásának előjeleinek egyidejű változása semmilyen módon nem befolyásolja ezeket az összefüggéseket. $k$ $\omega$ $c$ $n^{2}=\epsilon \mu$ $\epsilon$ $\mu$

"Jobb" és "bal" izotróp közeg

Az (1) egyenletet Maxwell elmélete alapján kaptuk meg . Azon közegeknél, amelyekben a közeg dielektromos és mágneses szuszceptibilitása egyidejűleg pozitív, az elektromágneses tér három vektora - elektromos , mágneses és hullám - alkotja az ún. jobb oldali vektorok: $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

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

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

Az ilyen környezeteket "helyes"-nek nevezik.

Azokat a környezeteket, amelyeknél a , egyidejűleg negatív, "baloldali"-nak nevezzük. Az ilyen közegeknél az elektromos , mágneses és hullámvektorok bal oldali vektorok rendszerét alkotják. $\epsilon$ $\mu$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ $\vec{k}$

Az angol nyelvű szakirodalomban a leírt anyagokat nevezhetjük jobb- és balkezes anyagoknak, illetve rövidítve RHM (jobb), illetve LHM (bal) néven.

Energiaátvitel jobb és bal hullámokkal

A hullám által hordozott energiaáramot a Poynting-vektor határozza meg , amely egyenlő . Egy vektor mindig alkot egy jobboldali hármast vektorokkal . Így a megfelelő anyagok és egy irányba irányulnak, és a bal oldalon - különböző irányokba. Mivel a vektor iránya egybeesik a fázissebességgel, egyértelmű, hogy a bal oldali anyagok ún. negatív fázissebességű anyagok. Más szóval, balkezes anyagokban a fázissebesség ellentétes az energiaáramlással. Ilyen anyagoknál például fordított Doppler-effektus és visszafelé irányuló hullámok figyelhetők meg . ${\vec {S}}$ ${\vec {S}}=(c/4\pi )\left[{\vec {E}}{\vec {H}}\right]$ ${\vec {S}}$ ${\vec {E}}$ ${\vec {H}}$ ${\vec {S}}$ ${\vec {k}}$ ${\vec {k}}$

A bal oldali környezet diszperziója

A környezet negatív mutatójának létezése akkor lehetséges, ha frekvenciaszórással rendelkezik. Ha ugyanakkor , , akkor a hullám energiája negatív (!) lesz. Ezt az ellentmondást csak úgy lehet elkerülni, ha a közegnek frekvenciaszóródása és . $\epszilon<0$ $\mu<0$ $W=\epsilon E^{2}+\mu H^{2}$ $\partial \epsilon /\partial \omega$ $\partial \mu /\partial \omega$

Példák hullámterjedésre a bal oldali közegben

Superlens

John Pendry [7] és munkatársai a Physical Review Letters -ben azzal érvelnek, hogy a hagyományos optikák felbontásának diffrakciós határa leküzdhető negatív törésmutatójú anyagokban . A megfelelő környezetben a lencse képtere nem azonos magával a tárggyal, mivel csillapított hullámok nélkül alakul ki . A bal oldali közegben a csillapított hullámok nem csillapodnak, ellenkezőleg, amplitúdójuk nő a hullám távolodásával a tárgytól, így a kép csillapított hullámok közreműködésével jön létre, ami lehetővé teszi a jobb felbontású képek készítését. mint a diffrakciós határ .

Az első kísérletileg kimutatott negatív törésmutatójú szuperlencse felbontása háromszor jobb volt, mint a diffrakciós határ. A kísérletet mikrohullámú frekvenciákkal végeztük [8] . Az optikai tartományban a szuperlencsét 2005-ben valósították meg [9] [10] . Ez egy olyan lencse volt, amely nem használt negatív fénytörést, de egy vékony ezüstréteget használtak az elillanó hullámok fokozására.

Legújabb[ pontosítás ] A szuperlencsék fejlesztését a CE&N [11] tekinti át . Szuperlencse létrehozásához váltakozó ezüst- és magnézium-fluorid rétegeket használnak fel egy szubsztrátumra, amelyekre ezután nanorácsot vágnak. Ennek eredményeként egy háromdimenziós kompozit szerkezet jött létre a közeli infravörös tartományban negatív törésmutatóval [12] . A második esetben a metaanyagot nanohuzalok segítségével hozták létre, amelyeket elektrokémiai úton növesztettek porózus alumínium-oxid felületen [13] .

2007 elején bejelentették egy olyan metaanyag létrehozását, amely a látható területen negatív törésmutatóval rendelkezik. Az anyag törésmutatója 780 nm hullámhosszon –0,6 volt [14] .

Metasurfaces

A metaanyagok kétdimenziós analógja a metafelületek. A metafelületek különösen alkalmasak a fény szabályozására, mivel általában kisebb veszteségekkel rendelkeznek, mint a tömeges metaanyagok, és könnyebben előállíthatók [15] .

A fénylencseként használt metafelületet metalennek nevezzük. Kis méretű, lapos alakú, vastagsága nem haladja meg a mikrométert, kiemelkedések vagy lyukak formájában nanostruktúrákkal borítva. [16]

Alkalmazás

Bejelentették egy olyan metaanyag létrehozását, amelynek látható tartományában negatív törésmutatója van, és amely képes elrejteni egy háromdimenziós objektumot. Az anyag arany nanoantennákból áll, melyeket arany és magnézium-fluorid támogat [17] . A metaanyagok felhasználása a katonaság számára készült terepszínű okosruházat létrehozásában ígéretesebb , mint az alternatív megközelítések [18] .

Negatív törésmutatójuk miatt a metaanyagok ideálisak tárgyak álcázására , mivel a rádióintelligencia nem képes észlelni őket . A meglévő metaanyagok azonban csak az első közelítésben rendelkeznek negatív törésmutatóval, ami jelentős másodlagos reemisszióhoz vezet [19] .

Egyre nagyobb az érdeklődés a metaanyagok rádióalkalmazásokban és különösen az antennatechnológiában való felhasználása iránt . Alkalmazásuk főbb területei [3] [4] [20] : nyomtatott antennákban szubsztrátok és emitterek gyártása széles sáv elérése és az antennaelemek méretének csökkentése érdekében; elektromosan kisméretű antennák reaktivitásának kompenzálása széles frekvenciasávban, beleértve a Chu alaphatárát meghaladóakat is [21] ; a metaközegbe merített elemi emitterek szűk térbeli orientációjának elérése; felületi hullámantennák gyártása; az antennatömbök elemei közötti kölcsönös hatás csökkentése, beleértve a MIMO - eszközöket is; hozzáillő kürt és más típusú antennák.

Történelem

Az első ilyen irányú munkák a XIX. 1898-ban Jagadis Chandra Bose végezte el az első mikrohullámú kísérletet az általa ívelt konfigurációval létrehozott struktúrák polarizációs tulajdonságainak tanulmányozására [3] [4] . 1914-ben Lindman mesterséges közegekre lépett fel, amelyek véletlenszerűen orientált kis vezetékek halmaza voltak, amelyeket spirálba csavartak, és olyan közegbe ágyaztak, amely rögzíti őket [3] [4] . 1946–1948-ban Winston E. Kok volt az első, aki vezető gömbök, korongok és periodikusan elhelyezett fémcsíkok felhasználásával készített mikrohullámú lencséket, amelyek ténylegesen mesterséges közeget alkottak az effektív törésmutató meghatározott értékével [3] [4] . A probléma történetének részletes leírása megtalálható V. M. Agranovich és Yu. N. Gartshtein [22] munkájában , valamint Vadim Szljuszár [3] [4] publikációiban . A legtöbb esetben a negatív törésmutatójú anyagok kérdésének története Viktor Veselago szovjet fizikus munkájának megemlítésével kezdődik , amelyet az Uspekhi fizicheskikh nauk folyóiratban tettek közzé 1967 -ben [23] . A cikk egy negatív törésmutatójú anyag létezésének lehetőségéről beszélt , amelyet "balkezesnek" neveztek. A szerző arra a következtetésre jutott, hogy egy ilyen anyaggal a hullámterjedés szinte minden ismert optikai jelensége jelentősen megváltozik, bár akkor még nem ismertek negatív törésmutatójú anyagokat. Itt azonban meg kell jegyezni, hogy valójában az ilyen "baloldali" médiát sokkal korábban tárgyalták Sivukhin [24] munkái és Pafomov [25] tanulmányai .

Az elmúlt években intenzív kutatások folytak a negatív törésmutatóval összefüggő jelenségekkel kapcsolatban [26] . E vizsgálatok intenzívebbé válásának oka a speciális szerkezetű, mesterségesen módosított anyagok új osztályának megjelenése volt, amelyeket metaanyagoknak neveznek. A metaanyagok elektromágneses tulajdonságait egy adott séma szerint mikroszkopikus szinten elhelyezett belső szerkezetük elemei határozzák meg. Ezért ezeknek az anyagoknak a tulajdonságai módosíthatók, hogy elektromágneses jellemzőik szélesebb skálájával rendelkezzenek, beleértve a negatív törésmutatót is.

Veselago megjósolta, hogy bizonyos optikai jelenségek egészen eltérőek lesznek a negatív törésmutatójú anyagokban. Ezek közül talán a legszembetűnőbb a fénytörés , az elektromágneses hullám elhajlása, amikor az áthalad a két közeg közötti interfészen. Normál körülmények között a hullám az erre a határra merőleges (a felszínre merőleges) vonal ellenkező oldalán jelenik meg . Ha azonban az egyik anyag törésmutatója pozitív, a másik negatív törésmutatóval rendelkezik, akkor a hullám a felületi normálisnak ugyanazon az oldalán jelenik meg, mint a bejövő hullám. Szintén a metaanyagok különleges tulajdonsága az erős diszperzió .

Kompozitok mechanikai tulajdonságai

A szokatlan mechanikai tulajdonságokkal rendelkező metaanyagok például az auxetikumok (negatív Poisson-arányú anyagok), amelyek a "fordított méhsejt" [27] alapján jöttek létre, valamint a réteges anyagok, amelyek a rétegek jellemzőinek speciális megválasztásával negatív hatással rendelkeznek. tágulási együttható a rétegeken [28] .

Lásd még

Fotonikus kristály

Jegyzetek

↑ 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. - 440 p. - ISBN 978-0-471-76102-0 .
↑ David R. Smith. Metaanyagok (angolul) . metacsoport . Duke Egyetem . Letöltve: 2015. augusztus 22. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 7..
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metaanyagok az antennatechnológiában: történelem és alapelvek // Elektronika: tudomány, technológia, üzlet. - 2009. - 7. sz . - S. 70-79 .
↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metaanyagok az antennatechnológiában: alapelvek és eredmények // First Mile. Last Mile (melléklet az "Electronics: Science, Technology, Business" folyóirathoz). - 2010. - 3-4. sz . - S. 44-60 .
↑ PostNauka Ildar Gabitov 2017. március 29. Metaanyagok archiválva 2018. szeptember 23. a Wayback Machine -nél
↑ Orlov A. A., Yankovskaya E. A., Belov P. A., Zhukovsky S. V. Plazmonikus többrétegű anyagparaméterek kinyerése a reflexiós és átviteli együtthatókból // Információs technológiák, mechanika és optika tudományos és műszaki közleménye. - ITMO Egyetem , 2014. - 1-2 ( 1. szám (89) ). — ISSN 2226-1494 .
↑ Publikációk – Sir John Pendry professzor . Imperial College London . Letöltve: 2015. augusztus 22. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 6..
↑ A. Grbic, G. V. Eleftheriades. A diffrakciós határ leküzdése sík balkezes átviteli vonalas lencsével // Fizikai áttekintési levelek . - 2004. - 20. évf. 92. - P. 117403. - doi : 10.1103/PhysRevLett.92.117403 .
↑ Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang. Szubdiffrakciós korlátozású optikai képalkotás ezüst szuperlencsével // Tudomány . - 2005. - április 22. (308. köt., 5721. sz.). - P. 534-537. - doi : 10.1126/tudomány.1108759 . — PMID 15845849 .
↑ Sarah Young. Az új szuperlencse megnyitja a kaput a nanoméretű optikai képalkotás és a nagy sűrűségű optoelektronika előtt . Eurek Alert! Tudományos Hírek (2005. április 21.). Letöltve: 2015. augusztus 22. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 24..
↑ A metaanyagok új szintre hajlítják a fényt // Kémiai és mérnöki hírek. - 2008. - augusztus 18. (86. évf., 33. sz.). — 25. o.
↑ J. Valentine; Valentine, J.; Zhang, S.; Zentgraf, T.; Ulin-Avila, E.; Genov, D. A.; Bartal, G.; Zhang, X. et al. Háromdimenziós optikai metaanyag negatív törésmutatóval // Nature: Journal. - 2008. - Vol. 455 , sz. 7211 . - 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 (angol) // Science : Journal. - 2008. - Vol. 321. sz . 5891 . — 930. o . - doi : 10.1126/tudomány.1157566 . — PMID 18703734 .
↑ Kerry Gibson. Metaanyagok látható fényben működnek . Eurek Alert! Tudományos Hírek (2007. január 4.). Letöltve: 2015. augusztus 22. Az eredetiből archiválva : 2012. február 15.
↑ M. A. Remnev, V. V. Klimov. Metafelületek: új pillantás a Maxwell-egyenletekre és a fényszabályozás új módszerei // UFN. - 2018. - T. 188. - S. 169-205. - doi : 10.3367/UFNr.2017.08.038192 .
↑ Alberto Moscatelli. Apró lencsék miniatűr eszközökhöz // A tudomány világában . - 2020. - 1. sz . - S. 11-12 .
↑ A láthatatlanság köpenye valósággá vált (hozzáférhetetlen link) . tan-blog.ru. Letöltve: 2016. február 22. Az eredetiből archiválva : 2016. március 4.. (határozatlan)
↑ Vadim Slyusar. Láthatatlan ember? Könnyű peasy! // Konstruktor. - 2002. - 11. sz .
↑ Pendry JB, Smith DR. A szuperlencse keresése // Scientific American . - Springer Nature , 2006. - Vol. 295. - P. 60-67 . — ISSN 0036-8733 .
↑ Vadim Slyusar. Metaanyagok az antennatervezésben // Elektronika: tudomány, technológia, üzlet. - 2009. - 8. sz . - S. 66-70 .
↑ Vadim Slyusar. Az elektromosan kisméretű antennák elméletének 60 éve. Néhány eredmény // Elektronika: tudomány, technológia, üzlet. - 2006. - 7. sz . - S. 10-19 .
↑ V. M. Agranovics, Yu. N. Gartshtein. A fény térbeli szórása és negatív fénytörése // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Orosz Tudományos Akadémia , 2006. - október ( 176. kötet ). - S. 1051-1068 . - doi : 10.3367/UFNr.0176.200610c.1051 . (Orosz)
↑ Veselago, V. G. Egyidejűleg negatív ε és μ értékekkel rendelkező anyagok elektrodinamikája // Uspekhi fizicheskikh nauk . — M .: Nauka . A fizikai és matematikai irodalom főkiadása, 1967. - július ( 92. v. ). - S. 517-526 . - doi : 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517 . (Orosz)
↑ Sivukhin D.V. // Optika és spektroszkópia, 3. kötet, S. 308 (1957)
↑ Pafomov V. E. // ZhETF, V. 36, S. 1853 (1959); T. 33, S. 1074 (1957); T. 30, S. 761 (1956)
↑ Hét felfedezés, amely megváltoztatja az életünket a következő 10 évben Archív másolat 2016. március 12-én a Wayback Machine -n a SCIENCE IN FOCUS sorozatból, az Echo of Moscow, 2014 decemberében
↑ A. G. Kolpakov. [Elsevier http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021892885900115 Elasztikus keretek átlagos jellemzőinek meghatározása] // Applied Mathematics and Mechanics. - 1985. - 6. sz . - S. 969-977 . Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 24.
↑ Kolpakov A. G., Rakin S. I. Meghatározott jellemzőkkel rendelkező egydimenziós kompozit anyag szintetizálásának problémájáról // Zhurn PMTF. - 1986. - 6. sz . - S. 143-150 .

Irodalom

Michio Kaku . I.2. Láthatatlanság // A lehetetlen fizikája = Michio Kaku. A lehetetlen fizikája. - M . : Alpina non-fiction , 2009. - 456 p. - ISBN 978-5-91671-024-3 .

Linkek

A DNS origami segített létrehozni az önszerveződő láthatatlan anyagot . Lenta.ru (2011. augusztus 23.). Letöltve: 2015. augusztus 22. (határozatlan)

Szótárak és enciklopédiák	Nagy norvég Britannica (online)
Bibliográfiai katalógusokban	GND : 7547278-8 NDL : 01154681 NKC : ph508945