27-08-2023
Метаматериа́л — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой[1][2].
Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую «ε» и магнитную «μ» восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесенные в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет возможность выбора (варьирования) различных свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).
Содержание |
Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Пример такого метаматериала показан на Рисунке.
Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:
где — волновой вектор, — частота волны, — скорость света, — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической и магнитной восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.
Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла. Для сред у которых диэлектрическая и магнитная восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический и магнитный и волновой образуют систему т. н. правых векторов:
Такие среды, соответственно, называют «правыми».
Среды, у которых , — одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический , магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.
В англоязычной литературе описанные материалы называют right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.
Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга , который равен . Вектор всегда образует с векторами , правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект.
Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно , , то энергия волны будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии и .
Wiki:en:Evanescent wave) волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.
Это предложение Дж. Пендри было подвергнуто критике Виктора Веселаго, как несостоятельное, см.[4]. Таким образом, вопрос создания суперлинз на основе левых сред в настоящее время дискутируется[5], а экспериментальные попытки создания линз продолжаются.
Первая экспериментально продемонстрированная суперлинза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами[6] . В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в 2005 году в[7]. Это была линза не использующая негативную рефракцию, однако, для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра.
Последние достижения в создании суперлинз представлены в обзоре[8]. Для создания суперлинзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешётка. В результате создавалась трёхмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области[9]. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия[10].
В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780нм был равен −0.6[11].
В последнее время появились сообщения из ряда научных центров, что Сделан ещё один шаг к созданию плаща-невидимки. Такой «плащ-невидимка», позволяет сделать невидимым закрываемый им объект за счет невозможности получения отраженных оптических лучей от объекта.
Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки в определённом диапазоне частот.
В большинстве случаев история вопроса о материалах с отрицательным коэффициентом преломления начинается с упоминания работы советского физика http://ufn.ru/ru/articles/1967/7/d/), в которой было указано на возможность существования материала с отрицательным http://ufn.ru/ru/articles/2006/10/c/).
В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой, которые называются метаматериалами. Электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне. Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления.
Веселаго предсказал, что определённые оптические явления будут совершенно другими в материалах с отрицательным коэффициентом преломления. Возможно, самым поразительным из них является рефракция — отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред. В нормальных условиях волна появляется на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно этой границе (нормаль к поверхности). Однако, если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой — отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали к поверхности, что и приходящая волна. Также особым свойством метаматериалов является сильная дисперсия.
| Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её. |
Метаматериалы.
