Метаматериал

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.).

Свойства

Прохождение света через метаматериал с «левосторонним» коэффициентом преломления

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.

Основы эффекта

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

$k^2-(\omega / c)^2 n^2 = 0,$ (1)

где $k$ — волновой вектор, $\omega$ — частота волны, $c$ — скорость света, $n^2=\epsilon\mu$ — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической $\epsilon$ и магнитной $\mu$ восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

«Правые» и «Левые» изотропные среды

Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла. Для сред у которых диэлектрическая $\epsilon$ и магнитная $\mu$ восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический $\vec{E}$ и магнитный $\vec{H}$ и волновой $\vec{k}$ образуют систему т. н. правых векторов:

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

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

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых $\epsilon$, $\mu$ — одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический $\vec{E}$, магнитный $\vec{H}$ и волновой вектора $\vec{k}$ образуют систему левых векторов.

В англоязычной литературе описанные материалы называют right- и left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.

Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны $n1>0$ $n2>0$

Прохождение света через границу сред у одной из которых показатель преломления положителен $n1>0$, а у другой — отрицателен $n2<0$

Перенос энергии правой и левой волнами

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга $\vec{S}$, который равен $\vec{S} = (c/4\pi) \left[ \vec{E}\vec{H} \right ]$. Вектор $\vec{S}$ всегда образует с векторами $\vec{E}$, $\vec{H}$ правую тройку. Таким образом, для правых веществ $\vec{S}$ и $\vec{k}$ направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор $\vec{k}$ 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.

Дисперсия левой среды

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно $\epsilon <0$, $\mu <0$, то энергия волны $W = \epsilon E^2 + \mu H^2$ будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии $\partial \epsilon/\partial \omega$ и $\partial \mu/\partial \omega$.

Примеры распространения волны в левой среде

Двояковыпуклая линза , сделанная из материала с отрицательным показателем преломления, расфокусирует свет, а двояковогнутая - фокусирует.

Плоскопараллельная пластина из материала с отрицательным показателем преломления работает как фокусирующая линза. Красная точка изображает источник света.

Отражение луча, распространяющегося в среде с $n<0$, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину $\vec{p}=2N\hbar\vec{k}$, (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощаюшие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Суперлинза

Джон Пендри^[3] и его коллеги в Physical Review Letters утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету, так как оно формируется без затухающих 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^[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^[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].

Применение

В последнее время появились сообщения из ряда научных центров, что Сделан ещё один шаг к созданию плаща-невидимки. Такой плащ позволяет сделать невидимым закрываемый им объект, поскольку он не отражает свет.

Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки .

История

В большинстве случаев история вопроса о материалах с отрицательным коэффициентом преломления начинается с упоминания работы советского физика Виктора Веселаго, опубликованной в журнале "Успехи физических наук" за 1968 г. (http://ufn.ru/ru/articles/1967/7/d/). В статье рассказывалось о возможности существования материала с отрицательным коэффициентом преломления, который был назван «левосторонним». Автор пришёл к заключению, что с таким материалом почти все известные оптические явления распространения волн существенно изменяются, хотя в то время материалы с отрицательным коэффициентом преломления ещё не были известны. Здесь, однако, следует заметить, что в действительности значительно раньше такие «левосторонние» среды обсуждались в работе Сивухина (Сивухин Д. В. // Оптика и спектроскопия, Т.3, С.308 (1957)) и в статьях Пафомова (Пафомов В. Е. // ЖЭТФ, Т.36, С.1853 (1959); Т.33, С.1074 (1957); Т.30, С.761 (1956)). Детальное описание истории вопроса можно найти в работе В. М. Аграновича и Ю. Н. Гартштейна (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.

См. также

• Список новых перспективных технологий

Примечания

1. ↑ Engheta Nader Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. — Wiley & Sons. — P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. — ISBN 9780471761020
2. ↑ Smith, David R. What are Electromagnetic Metamaterials?. Novel Electromagnetic Materials. The research group of D.R. Smith (10 июня 2006). Архивировано из первоисточника 15 февраля 2012. Проверено 19 августа 2009.
3. ↑ collection of free-download papers by J. Pendry
4. ↑ Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления // УФН. — 2003. — 7. — с. 790—794. — DOI:10.3367/UFNr.0173.200307m.0790
5. ↑ Munk, B. A. Metamaterials: Critique and Alternatives. — Hoboken, N.J.: John Wiley, 2009. — ISBN 0470377046
6. ↑ A. Grbic and G.V. Eleftheriades (2004). «Overcoming the Diffraction Limit with a Planar Left-handed Transmission-line Lens». Physical Review Letters 92. DOI:10.1103/PhysRevLett.92.117403.
7. ↑ N. Fang et al. (2005). «Sub–Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens». Science 308 (5721): 534–7. DOI:10.1126/science.1108759. PMID 15845849. Lay summary.
8. ↑ (2008) «Metamaterials Bend Light to new Levels». Chemical & Engineering News 86 (33).
9. ↑ J. Valentine et al. (2008). «Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index». Nature 455 (7211): 376–9. DOI:10.1038/nature07247. PMID 18690249.
10. ↑ J. Yao et al. (2008). «Optical Negative Refraction in Bulk Metamaterials of Nanowires». Science 321 (5891). DOI:10.1126/science.1157566. PMID 18703734.
11. ↑ Metamaterials found to work for visible light. Архивировано из первоисточника 15 февраля 2012.

Литература

• Митио Каку I.2. Невидимость // Физика невозможного = Michio Kaku. Physics of the Impossible. — М.: Альпина нон-фикшн, 2009. — 456 с. — ISBN 978-5-91671-024-3

Ссылки

	Метаматериал на Викискладе?

• Метаматериал Интернет-портал
• Сделан ещё один шаг к созданию плаща-невидимки, Викиновости, 17 ноября 2010
• ДНК-оригами помогла создать самособирающийся материал-невидимку