Метаматериал

Конфигурация массива метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления , состоящая из медных резонаторов с разъемным кольцом и проводов, закрепленных на взаимосвязанных листах монтажной платы из стекловолокна. Полный массив состоит из элементарных ячеек 3×20×20 габаритными размерами 10×100×100 мм (0,39 × 3,94×3,94 дюйма).

Метаматериал , (от греческого слова μετά мета , означающего «за пределами» или «после», и латинского слова materia , означающего «материя» или «материал») — это тип материала созданный таким образом, чтобы обладать свойством, которое редко наблюдается в природе. встречающиеся материалы. Они состоят из множества элементов, изготовленных из композитных материалов, таких как металлы и пластмассы. Эти материалы обычно располагаются повторяющимися узорами в масштабах, меньших, чем длины волн явлений, на которые они влияют. Метаматериалы черпают свои свойства не из свойств основных материалов, а из их вновь созданных структур. Их точная форма , геометрия , размер , ориентация и расположение наделяют их интеллектуальными свойствами, позволяющими манипулировать электромагнитными волнами : блокируя, поглощая, усиливая или изгибая волны, для достижения преимуществ, выходящих за рамки того, что возможно с обычными материалами.

Метаматериалы, созданные соответствующим образом, могут воздействовать на волны электромагнитного излучения или звука так, как это не наблюдается в объемных материалах. Те, которые имеют отрицательный показатель преломления для определенных длин волн, были в центре внимания большого количества исследований. Эти материалы известны как метаматериалы с отрицательным преломлением .

Потенциальные применения метаматериалов разнообразны и включают оптические фильтры , медицинские устройства , удаленные аэрокосмические приложения, обнаружение датчиков и мониторинг инфраструктуры , интеллектуальное управление солнечной энергией , лазеры, контроль толпы , обтекатели , высокочастотная боевая связь и линзы для антенн с высоким коэффициентом усиления, усовершенствованные ультразвуковые датчики и даже защитные конструкции от землетрясений . Метаматериалы открывают потенциал для создания суперлинз . Такая линза может позволять получать изображения ниже дифракционного предела , который представляет собой минимальное разрешение d=λ/(2NA), которое может быть достигнуто с помощью обычных линз, имеющих числовую апертуру NA и длину волны освещения λ. Субволновые оптические метаматериалы при интеграции с оптическими носителями записи могут использоваться для достижения оптической плотности данных, превышающей предел, ограниченный дифракцией. Форма «невидимости» была продемонстрирована с использованием материалов с градиентным индексом . Акустические и сейсмические метаматериалы также являются областями исследований.

Исследования метаматериалов являются междисциплинарными и включают в себя такие области, как электротехника , электромагнетика , классическая оптика , физика твердого тела , микроволновая и антенная техника , оптоэлектроника , материаловедение , нанонаука и полупроводниковая инженерия.

История

Основная статья: История метаматериалов

Исследования искусственных материалов для управления электромагнитными волнами начались в конце XIX века. Некоторые из самых ранних структур, которые можно считать метаматериалами, были изучены Джагадишем Чандрой Босом , который в 1898 году исследовал вещества с хиральными свойствами. Карл Фердинанд Линдман изучал взаимодействие волн с металлическими спиралями как искусственными киральными средами в начале двадцатого века.

В конце 1940-х годов Уинстон Э. Кок из AT&T Bell Laboratories разработал материалы, характеристики которых были аналогичны метаматериалам. В 1950-х и 1960-х годах искусственные диэлектрики изучались для легких микроволновых антенн . Поглотители микроволновых радаров исследовались в 1980-х и 1990-х годах в качестве применения в искусственных киральных средах.

Материалы с отрицательным преломлением были впервые теоретически описаны Виктором Веселаго в 1967 году. Он доказал, что такие материалы могут передавать свет . Он показал, что фазовую скорость можно сделать антипараллельной направлению вектора Пойнтинга . Это противоречит распространению волн в природных материалах.

В 1995 году Джон М. Герра изготовил субволновую прозрачную решетку (позже названную фотонным метаматериалом) с линиями и промежутками 50 нм, а затем соединил ее со стандартным объективом масляно-иммерсионного микроскопа (комбинация, позже названная суперлинзой), чтобы получить разрешить решетку на кремниевой пластине, также имеющую линии и промежутки 50 нм. Это изображение сверхразрешения было получено при освещении в воздухе длиной волны 650 нм.

В 2000 году Джон Пендри первым нашел практический способ создания левостороннего метаматериала — материала, в котором правило правой руки . не соблюдается Такой материал позволяет электромагнитной волне передавать энергию (иметь групповую скорость ) против ее фазовой скорости . Идея Пендри заключалась в том, что металлические провода, выровненные вдоль направления волны, могут обеспечить отрицательную диэлектрическую проницаемость ( диэлектрическая функция ε <0). Природные материалы (такие как сегнетоэлектрики ) обладают отрицательной диэлектрической проницаемостью; Задача заключалась в достижении отрицательной проницаемости (μ < 0). В 1999 году Пендри продемонстрировал, что это может сделать разрезное кольцо (С-образной формы), ось которого расположена вдоль направления распространения волны. В той же статье он показал, что периодическая совокупность проволок и колец может привести к отрицательному показателю преломления. Пендри также предложил аналогичную конструкцию с отрицательной проницаемостью — швейцарский валок .

В 2000 году Дэвид Р. Смит и др. сообщил об экспериментальной демонстрации функционирования электромагнитных метаматериалов с помощью горизонтально уложенных резонаторов периодически с разъемным кольцом и тонких проволочных структур. В 2002 году был предложен метод реализации метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления с использованием искусственных линий передачи с сосредоточенными элементами в микрополосковой технологии. В 2003 году комплексный (как действительная, так и мнимая части) отрицательный показатель преломления и визуализация с помощью плоской линзы с использованием левых метаматериалов. К 2007 году эксперименты с отрицательным показателем преломления проводились многими группами. На микроволновых частотах первая несовершенная мантия-невидимка была реализована в 2006 году.

С точки зрения основных уравнений современные исследователи могут разделить сферу метаматериалов на три основные области: Электромагнитные/оптические волновые метаматериалы, другие волновые метаматериалы и диффузионные метаматериалы . Эти ветви характеризуются соответствующими определяющими уравнениями, к которым относятся уравнения Максвелла (волновое уравнение, описывающее поперечные волны), другие волновые уравнения (для продольных и поперечных волн) и уравнения диффузии (относящиеся к диффузионным процессам). Созданные для управления целым рядом диффузионных процессов, диффузионные метаматериалы отдают приоритет длине диффузии в качестве основного показателя. Этот важнейший параметр подвержен временным колебаниям, оставаясь при этом невосприимчивым к изменениям частоты. Напротив, волновые метаматериалы, предназначенные для настройки различных путей распространения волн, рассматривают длину входящей волны как свою важную метрику. Эта длина волны остается постоянной с течением времени, хотя она корректируется при изменении частоты. По сути, ключевые показатели диффузионных и волновых метаматериалов демонстрируют резкое расхождение, подчеркивая четкую взаимодополняющую связь между ними. Более подробную информацию можно найти в разделе IB «Эволюция физики метаматериалов» в работе.

Электромагнитные метаматериалы

Электромагнитный метаматериал воздействует на электромагнитные волны , которые сталкиваются или взаимодействуют с его структурными особенностями, размер которых меньше длины волны. Чтобы вести себя как однородный материал, точно описываемый эффективным показателем преломления , его характеристики должны быть намного меньше длины волны.

Необычные свойства метаматериалов возникают из-за резонансного отклика каждого составного элемента, а не из-за их пространственного расположения в решетке. Это позволяет учитывать локальные эффективные параметры материала (диэлектрическую проницаемость и проницаемость ). Эффект резонанса, связанный со взаимным расположением элементов, отвечает за брэгговское рассеяние , лежащее в основе физики фотонных кристаллов — другого класса электромагнитных материалов. В отличие от локальных резонансов, брэгговское рассеяние и соответствующая брэгговская полоса задерживания имеют низкочастотный предел, определяемый шагом решетки. Субволновое приближение гарантирует, что брэгговские стоп-зоны с сильными эффектами пространственной дисперсии находятся на более высоких частотах и ​​ими можно пренебречь. Критерий смещения локального резонанса ниже нижней брэгговской стоп-зоны позволяет построить диаграмму фотонного фазового перехода в пространстве параметров, например, размера и диэлектрической проницаемости составляющего элемента. Такая диаграмма отображает область параметров структуры, позволяющую наблюдать свойства метаматериала в электромагнитном материале.

Для микроволнового излучения характеристики составляют порядка миллиметров . Метаматериалы микроволновой частоты обычно конструируются как массивы электропроводящих элементов (например, проволочных петель), которые имеют подходящие индуктивные и емкостные характеристики. Во многих микроволновых метаматериалах используются резонаторы с разъемным кольцом .

Фотонные метаматериалы структурированы в нанометровом масштабе и управляют светом на оптических частотах. Фотонные кристаллы и частотно-избирательные поверхности, такие как дифракционные решетки , диэлектрические зеркала и оптические покрытия, демонстрируют сходство с метаматериалами с субволновой структурой. Однако их обычно считают отличными от метаматериалов, поскольку их функция возникает в результате дифракции или интерференции и, следовательно, не может быть аппроксимирована как однородный материал. 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 имеют размер вдвое или меньше, то есть <280 нм.

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 проявлять субволновые характеристики и известны как искусственные магнитные проводники (AMC) или поверхности с высоким импедансом (HIS). FSS обладают индуктивными и емкостными характеристиками, которые напрямую связаны с их субволновой структурой.

Электромагнитные метаматериалы можно разделить на различные классы, а именно:

Отрицательный показатель преломления

Сравнение преломления в левостороннем метаматериале с преломлением в обычном материале.

Основные статьи: Метаматериал с отрицательным показателем преломления и отрицательное преломление.

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». NIM, в которых отрицательный показатель преломления возникает из-за одновременно отрицательной диэлектрической проницаемости и отрицательной проницаемости, также известны как двойные отрицательные метаматериалы или двойные отрицательные материалы (DNG).

Предполагая, что материал хорошо аппроксимируется реальной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью, связь между диэлектрической проницаемостью $\varepsilon _{r}$, проницаемость $\mu _{r}$ а показатель преломления n определяется выражением ${\textstyle n=\pm {\sqrt {\varepsilon _{\mathrm {r} }\mu _{\mathrm {r} }}}}$. Все известные неметаматериальные прозрачные материалы (стекло, вода и т. д.) обладают положительным $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}$. используется положительный квадратный корень По соглашению для n . Однако некоторые инженерные метаматериалы $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}<0$. Потому что продукт $\varepsilon _{r}\mu _{r}$ положительно n действительно , . В таких обстоятельствах необходимо извлечь отрицательный квадратный корень из числа n . Когда оба $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ являются положительными (отрицательными), волны распространяются в прямом ( обратном ) направлении. Электромагнитные волны не могут распространяться в материалах с $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ противоположного знака, поскольку показатель преломления становится мнимым . Такие материалы непрозрачны для электромагнитного излучения, и примеры включают плазмонные материалы, такие как металлы ( золото , серебро , ...).

Duration: 25 seconds.0:25

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

Вышеизложенные соображения упрощены для реальных материалов, которые должны иметь комплексные значения. $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}$. Реальные части обоих $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ не обязательно должны быть отрицательными, чтобы пассивный материал демонстрировал отрицательное преломление. Действительно, отрицательный показатель преломления для волн с круговой поляризацией также может быть результатом киральности. Метаматериалы с отрицательным n обладают множеством интересных свойств:

• Закон Снеллиуса ( n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂ ) по-прежнему описывает преломление, но поскольку n ₂ отрицательно, падающие и преломленные лучи находятся на одной стороне от нормали к поверхности на границе раздела материалов с положительным и отрицательным показателем преломления.
• Черенковское излучение указывает на обратное.
• Усредненный по времени Пойнтинга антипараллелен вектор фазовой скорости. Однако для распространения волн (энергии) a – µ должно быть в паре с a – ε, чтобы удовлетворить зависимость волнового числа от параметров материала. $kc=\omega {\sqrt {\mu \varepsilon }}$.

Отрицательный показатель преломления математически получается из тройки векторов E , H и k .

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

На сегодняшний день только метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления.

Один отрицательный

Одиночные отрицательные (SNG) метаматериалы имеют либо отрицательную относительную диэлектрическую проницаемость (ε r ), либо отрицательную относительную проницаемость (μ r ), но не то и другое. Они действуют как метаматериалы в сочетании с другим, дополнительным SNG, совместно действуя как DNG.

Негативные носители Epsilon (ENG) отображают отрицательное значение ε r, тогда как значение μ r является положительным. Многие виды плазмы обладают этой характеристикой. Например, благородные металлы , такие как золото или серебро, являются ЭНГ в инфракрасном и видимом спектрах .

Му-негативные среды (MNG) демонстрируют положительную εr и отрицательную µr . Этой характеристикой обладают гиротропные или гиромагнитные материалы. Гиротропный материал — это материал, который был изменен под действием квазистатического магнитного поля , что обеспечивает магнитооптический эффект . Магнитооптический эффект — это явление, при котором электромагнитная волна распространяется через такую ​​среду. В таком материале эллиптическая поляризация, вращающаяся влево и вправо, может распространяться с разной скоростью. 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 появлению таких свойств, как резонансы, аномальное туннелирование, прозрачность и нулевое отражение. Как и материалы с отрицательным показателем преломления, SNG обладают изначальной дисперсией, поэтому их ε r , µ r и показатель преломления n являются функцией частоты.

гиперболический

Гиперболические метаматериалы (ГММ) ведут себя как металл для определенной поляризации или направления распространения света и ведут себя как диэлектрик для другой из-за отрицательных и положительных компонентов тензора диэлектрической проницаемости, что дает чрезвычайную анизотропию . материала Дисперсионный закон в пространстве волновых векторов образует гиперболоид , поэтому его называют гиперболическим метаматериалом. Чрезвычайная анизотропия HMM приводит к направленному распространению света внутри и на поверхности. HMM продемонстрировали различные потенциальные применения, такие как зондирование, модулятор отражения, визуализация, управление оптическими сигналами, усиление эффектов плазмонного резонанса.

запрещенная зона

Дополнительная информация: Фотонный кристалл , Электронная зонная структура и Связанные колебания.

Электромагнитные метаматериалы с запрещенной зоной (EBG или EBM) контролируют распространение света. Это достигается либо с помощью фотонных кристаллов (ПК), либо с помощью левых материалов (LHM). ПК могут вообще запретить распространение света. Оба класса могут позволять свету распространяться в определенных, заданных направлениях, и оба могут быть разработаны с шириной запрещенной зоны на желаемых частотах. Размер периода ЭБГ составляет значительную долю длины волны, создавая конструктивную и деструктивную интерференцию.

ПК отличаются от субволновых структур, таких как перестраиваемые метаматериалы , поскольку свойства ПК определяются характеристиками запрещенной зоны. Размер ПК соответствует длине волны света, в отличие от других метаматериалов, которые обладают субволновой структурой. Более того, компьютеры функционируют за счет преломления света. Напротив, метаматериал не использует дифракцию.

ПК имеют периодические включения, которые препятствуют распространению волн из-за разрушительной интерференции включений из-за рассеяния. Свойство фотонной запрещенной зоны ПК делает их электромагнитным аналогом электронных полупроводниковых кристаллов.

Целью EBG является создание высококачественных периодических диэлектрических структур с низкими потерями. ЭБГ влияет на фотоны так же, как полупроводниковые материалы влияют на электроны. ПК являются идеальным материалом с запрещенной зоной, поскольку они не допускают распространения света. Каждая единица заданной периодической структуры действует как один атом, хотя и гораздо большего размера.

EBG предназначены для предотвращения распространения выделенной полосы частот для определенных углов прихода и поляризации . Для достижения особых свойств EBG были предложены различные геометрии и структуры. На практике невозможно создать безупречное устройство ЭБГ.

EBG производятся для частот от нескольких гигагерц (ГГц) до нескольких терагерц (ТГц), радио-, микроволнового и среднего инфракрасного диапазонов частот. Разработки по применению EBG включают линию передачи , поленницы из квадратных диэлектрических стержней и несколько различных типов антенн с низким коэффициентом усиления .

Двойная положительная среда

Двойные положительные среды (ДПС) встречаются в природе, например, природные диэлектрики . Диэлектрическая и магнитная проницаемости положительны, и волна распространяется в прямом направлении. Созданы искусственные материалы, сочетающие в себе свойства ДПС, ЭНГ и МНГ.

Биизотропный и бианизотропный

Разделение метаматериалов на двойные, одинарные отрицательные или двойные положительные обычно предполагает, что метаматериал имеет независимые электрические и магнитные реакции, описываемые ε и μ. Однако во многих случаях электрическое поле вызывает магнитную поляризацию, а магнитное поле вызывает электрическую поляризацию, известную как магнитоэлектрическая связь. Такие среды называются биизотропными . Среды, обладающие магнитоэлектрической связью и анизотропные ( что характерно для многих структур метаматериалов). ), называются бианизотропными.

Четыре материальных параметра присущи магнитоэлектрической связи биизотропных сред. Это напряженности электрического ( E ) и магнитного ( H ) полей, а также плотности электрического ( D ) и магнитного ( B ) потоков. Этими параметрами являются ε, µ, κ и χ или диэлектрическая проницаемость, проницаемость, сила киральности и параметр Теллегена соответственно. В этом типе сред параметры материала не изменяются при изменении вдоль повернутой системы координат . В этом смысле они инвариантны или скалярны .

Собственные магнитоэлектрические параметры κ и χ влияют на фазу волны. Эффект параметра киральности заключается в разделении показателя преломления. В изотропных средах это приводит к распространению волн только в том случае, если ε и µ имеют одинаковый знак. В биизотропных средах, где χ считается равным нулю, а κ - ненулевым значением, появляются другие результаты. Может возникнуть либо обратная волна, либо прямая волна. В качестве альтернативы могут возникнуть две прямые волны или две обратные волны, в зависимости от силы параметра киральности.

В общем случае определяющие соотношения для бианизотропных материалов имеют вид $\mathbf {D} =\varepsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,$$\mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,$где $\varepsilon$ и $\mu$ – тензоры диэлектрической и проницаемости соответственно, тогда как $\xi$ и $\zeta$ — два магнитоэлектрических тензора. Если среда взаимна, то диэлектрическая проницаемость и проницаемость являются симметричными тензорами, а $\xi =-\zeta ^{T}=-i\kappa ^{T}$, где $\kappa$ — киральный тензор, описывающий киральный электромагнитный и взаимный магнитоэлектрический отклик. Киральный тензор можно выразить как $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$, где $\operatorname {tr} (\kappa )$ это след $\kappa$, I — единичная матрица, N — симметричный бесследовый тензор, J — антисимметричный тензор. Такое разложение позволяет нам классифицировать взаимный бианизотропный ответ и выделить следующие три основных класса: (i) киральные среды ( $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$), (ii) псевдохиральные среды ( $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0$), (iii) омега-медиа ( $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0$).

Хиральный

Рукасть метаматериалов является потенциальным источником путаницы, поскольку в литературе по метаматериалам встречаются два противоречивых значения терминов «левша» и «правша» . Первый относится к одной из двух волн с круговой поляризацией, которые являются распространяющимися модами в киральных средах. Второй относится к тройке электрического поля, магнитного поля и вектора Пойнтинга, которые возникают в средах с отрицательным показателем преломления, которые в большинстве случаев не являются киральными.

Обычно хиральный и/или бианизотропный электромагнитный ответ является следствием 3D-геометрической киральности: 3D-хиральные метаматериалы состоят путем внедрения 3D-хиральных структур в исходную среду и демонстрируют эффекты поляризации, связанные с хиральностью, такие как оптическая активность и круговой дихроизм . Также существует концепция двумерной киральности , и плоский объект считается киральным, если его нельзя наложить на свое зеркальное изображение, пока он не будет поднят из плоскости. Было обнаружено, что 2D-хиральные метаматериалы, которые являются анизотропными и с потерями, демонстрируют направленно асимметричную передачу (отражение, поглощение) волн с круговой поляризацией из-за дихрозимного кругового преобразования. С другой стороны, бианизотропный ответ может возникнуть из-за геометрических ахиральных структур, не обладающих ни 2D, ни 3D внутренней киральностью. Плам и его коллеги исследовали магнитоэлектрическую связь из-за внешней киральности , когда расположение (ахиральной) структуры вместе с волновым вектором излучения отличается от ее зеркального изображения, и наблюдали большую настраиваемую линейную оптическую активность. нелинейная оптическая активность, зеркальная оптическая активность и круговой конверсионный дихроизм. Рицца и др. предложил одномерные киральные метаматериалы, в которых эффективный киральный тензор не обращается в нуль, если система геометрически одномерна киральна (зеркальное изображение всей структуры не может быть наложено на нее с помощью трансляций без вращений).

3D-хиральные метаматериалы состоят из хиральных материалов или резонаторов, у которых эффективный параметр киральности $\kappa$ не равно нулю. Свойства распространения волн в таких киральных метаматериалах показывают, что отрицательное преломление может быть реализовано в метаматериалах с сильной киральностью и положительным $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}$. Это связано с тем, что показатель преломления $n$ имеет разные значения для волн с левой и правой круговой поляризацией, определяемые выражением

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

Видно, что отрицательный индекс будет иметь место для одной поляризации, если $\kappa$ > ${\sqrt {\varepsilon _{r}\mu _{r}}}$. В этом случае не обязательно, чтобы один или оба $\varepsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ быть отрицательным при распространении обратной волны. Отрицательный показатель преломления из-за хиральности впервые одновременно и независимо наблюдался Plum et al. и Чжан и др. в 2009 году.

на базе ФСС

Основная статья: Настраиваемые метаматериалы § Частотно-селективные поверхностные метаматериалы

Частотно-селективные поверхностные метаматериалы блокируют сигналы в одном диапазоне волн и пропускают сигналы в другом диапазоне волн. Они стали альтернативой метаматериалам с фиксированной частотой. Они допускают дополнительные изменения частот в одной среде вместо ограничительных ограничений фиксированной частотной характеристики .

Другие типы

Эластичный

Эти метаматериалы используют разные параметры для достижения отрицательного показателя преломления в материалах, которые не являются электромагнитными. Более того, «новая конструкция 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 ». Их еще называют механическими метаматериалами .

Акустический

Основная статья: Акустические метаматериалы

Акустические метаматериалы контролируют, направляют и манипулируют звуком в виде звуковых , инфразвуковых или ультразвуковых волн в газах , жидкостях и твердых телах . Как и электромагнитные волны, звуковые волны могут иметь отрицательное преломление.

Управление звуковыми волнами в основном осуществляется посредством модуля объемного сжатия β , плотности массы ρ и киральности. Модуль объемного сжатия и плотность являются аналогами диэлектрической проницаемости и проницаемости в электромагнитных метаматериалах. С этим связана механика распространения звуковых волн в решетчатой ​​структуре. Также материалы имеют массу и собственную степень жесткости . Вместе они образуют резонансную систему, и механический (звуковой) резонанс может возбуждаться соответствующими звуковыми частотами (например, звуковыми импульсами ).

Структурный

Структурные метаматериалы обеспечивают такие свойства, как дробимость и легкий вес. Используя проекционную микростереолитографию , можно создавать микрорешетки, используя формы, очень похожие на фермы и балки . материалы на четыре порядка жёстче обычного аэрогеля Созданы , но с такой же плотностью. Такие материалы могут выдерживать нагрузку, превышающую их собственный вес как минимум в 160 000 раз, за ​​счет чрезмерного сжатия материалов.

Керамический метаматериал нанофермы можно расплющить и вернуть в исходное состояние.

Термальный

Обычно материалы, встречающиеся в природе, будучи однородными, термически изотропны. То есть тепло проходит через них примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях. Однако термические метаматериалы обычно анизотропны из-за своей высокоорганизованной внутренней структуры. Примерами этого являются композиционные материалы с сильно ориентированными внутренними частицами или структурами, такие как волокна и углеродные нанотрубки (УНТ).

Нелинейный

Основная статья: Нелинейные метаматериалы

Могут быть изготовлены метаматериалы, включающие ту или иную форму нелинейных сред, свойства которых изменяются в зависимости от мощности падающей волны. Нелинейные среды необходимы для нелинейной оптики . Большинство оптических материалов имеют относительно слабый отклик, а это означает, что их свойства изменяются лишь незначительно при больших изменениях интенсивности электромагнитного поля . Локальные электромагнитные поля включений в нелинейных метаматериалах могут значительно превышать среднее значение поля. Кроме того, были предсказаны и наблюдались замечательные нелинейные эффекты, если эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала очень мала (эпсилон-близкая к нулю среда). Кроме того, такие экзотические свойства, как отрицательный показатель преломления, открывают возможности для настройки условий фазового синхронизма , которым должна удовлетворяться любая нелинейная оптическая структура.

Жидкость

Метажидкости обладают программируемыми свойствами, такими как вязкость, сжимаемость и оптические свойства. В одном подходе использовались наполненные воздухом эластомерные сферы диаметром 50-500 микрон, суспендированные в силиконовом масле. Сферы сжимаются под давлением и восстанавливают свою форму, когда давление снимается. Их свойства различаются в этих двух состояниях. Без давления они рассеивают свет, делая их непрозрачными. Под давлением они сжимаются в форме полумесяца, фокусируя свет и становясь прозрачными. Реакция давления может позволить им действовать как датчик или как динамическая гидравлическая жидкость. Как и кукурузный крахмал , он может действовать как ньютоновская или неньютоновская жидкость. Под давлением он становится неньютоновским, то есть его вязкость изменяется в ответ на силу сдвига.

Метаматериалы Холла

Основная статья: Эффект Холла

В 2009 году Марк Брайан и Грэм Милтон математически доказал, что в принципе можно инвертировать знак композита на основе трех материалов в 3D, состоящего только из материалов с коэффициентом Холла с положительным или отрицательным знаком. Позже в 2015 году Муамер Кадич и др. показали, что простая перфорация изотропного материала может привести к изменению его знака коэффициента Холла. Это теоретическое утверждение было наконец экспериментально продемонстрировано Кристианом Керном и др.

В 2015 году это также продемонстрировали Кристиан Керн и др. что анизотропная перфорация одного материала может привести к еще более необычному эффекту, а именно к параллельному эффекту Холла. Это означает, что индуцированное электрическое поле внутри проводящей среды больше не ортогонально току и магнитному полю, а фактически параллельно последнему.

Мета-биоматериалы

Метабиоматериалы были специально созданы для взаимодействия с биологическими системами, объединяя принципы как метаматериаловедения, так и биологических областей. Разработанные на наноуровне, эти материалы умело манипулируют электромагнитными, акустическими или тепловыми свойствами, чтобы облегчить биологические процессы. Благодаря тщательной корректировке их структуры и состава метабиоматериалы могут стать перспективным дополнением различных биомедицинских технологий, таких как медицинская визуализация, доставка лекарств, и тканевая инженерия. Это подчеркивает важность понимания биологических систем через междисциплинарную призму материаловедения.

Полосы частот

Терагерц

Основная статья: Терагерцовый метаматериал

Терагерцовые метаматериалы взаимодействуют на терагерцевых частотах, обычно определяемых как 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 ( диапазон КВЧ ) до 0,03 мм (длинноволновой край дальнего инфракрасного света).

фотонный

Основная статья: Фотонные метаматериалы

Фотонный метаматериал взаимодействует с оптическими частотами ( средний инфракрасный диапазон ). Субволновой период отличает их от фотонных структур запрещенной зоны.

настраиваемый

Основная статья: Настраиваемые метаматериалы

Настраиваемые метаматериалы позволяют произвольно регулировать частоту изменений показателя преломления. Настраиваемый метаматериал выходит за пределы ограничений полосы пропускания левых материалов за счет создания различных типов метаматериалов.

Плазмонный

Основная статья: Плазмонные метаматериалы

Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны , которые образуются в результате взаимодействия света с металлами- диэлектриками . При определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся распространяющиеся электромагнитные волны или поверхностные волны. известные как поверхностные плазмонные поляритоны . Объемные плазменные колебания делают возможным эффект отрицательной массы (плотности).

Приложения

Метаматериалы рассматриваются для многих приложений. Антенны из метаматериала коммерчески доступны.

В 2007 году один исследователь заявил, что для реализации приложений метаматериалов необходимо уменьшить потери энергии, материалы должны быть расширены до трехмерных изотропных материалов, а технологии производства должны быть индустриализированы.

Антенны

Основная статья: Антенны из метаматериала

Метаматериальные антенны — это класс антенн , в которых для улучшения характеристик используются метаматериалы. антенны Демонстрации показали, что метаматериалы могут увеличить мощность излучения . Материалы, которые могут достигать отрицательной проницаемости, обладают такими свойствами, как малый размер антенны, высокая направленность и настраиваемая частота.

поглотитель

Основная статья: Поглотитель метаматериала

Поглотитель метаматериала манипулирует компонентами потерь диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериалов, чтобы поглотить большое количество электромагнитного излучения . Это полезная функция для фотодетектирования. и солнечные фотоэлектрические приложения. Компоненты потерь также актуальны в приложениях отрицательного показателя преломления (фотонные метаматериалы, антенные системы) или оптике преобразования ( маскировка метаматериалов , небесная механика), но часто не используются в этих приложениях.

Суперлинза

Основная статья: Суперлинза

Суперлинза — это двух- или трехмерное устройство, в котором используются метаматериалы, обычно с отрицательными свойствами преломления, для достижения разрешения, выходящего за пределы дифракционного предела (в идеале, бесконечного разрешения). Такое поведение обеспечивается способностью дважды отрицательных материалов обеспечивать отрицательную фазовую скорость. Дифракционный предел присущ обычным оптическим устройствам или линзам.

Маскирующие устройства

Основная статья: Маскировка метаматериала

Метаматериалы являются потенциальной основой для практического маскировочного устройства . Доказательство принципа было продемонстрировано 19 октября 2006 года. О существовании практических плащей общеизвестно не известно.

Метаматериалы, уменьшающие радиолокационное сечение (RCS-)

Метаматериалы находят применение в стелс-технологиях , которые уменьшают ЭПР любым из различных способов (например, поглощением, диффузией, перенаправлением). Обычно ЭПР уменьшают либо за счет радиопоглощающего материала (RAM), либо за счет специальной формы целей таким образом, чтобы рассеянную энергию можно было перенаправить от источника. Хотя RAM имеют узкий диапазон частот, формирование цели ограничивает аэродинамические характеристики цели. Совсем недавно были синтезированы метаматериалы или метаповерхности, которые могут перенаправлять рассеянную энергию от источника, используя любую теорию массивов. или обобщенный закон Снелла. Это привело к созданию аэродинамически выгодных форм мишеней с уменьшенной ЭПР.

Сейсмическая защита

Основная статья: Сейсмические метаматериалы

Сейсмические метаматериалы противодействуют неблагоприятному воздействию сейсмических волн на искусственные конструкции.

Фильтрация звука

Метаматериалы, текстурированные наноразмерными морщинами, могут управлять звуковыми или световыми сигналами, например, изменять цвет материала или улучшать ультразвука разрешение . Область применения включает неразрушающий контроль материалов , медицинскую диагностику и шумоподавление . Материалы могут быть изготовлены с помощью высокоточного процесса многослойного осаждения. Толщину каждого слоя можно контролировать в пределах долей длины волны. Затем материал сжимается, создавая точные морщины, расстояние между которыми может вызвать рассеяние выбранных частот.

Манипуляции в управляемом режиме

Метаматериалы можно интегрировать с оптическими волноводами для настройки управляемых электромагнитных волн ( метаволноводы ). Субволновые структуры, такие как метаматериалы, могут быть интегрированы, например, с кремниевыми волноводами для разработки поляризационных светоделителей. и оптические соединители, добавление новых степеней свободы управления распространением света на наноуровне для интегрированных фотонных устройств. Другие приложения, такие как интегрированные преобразователи режимов, поляризационные (де)мультиплексоры, структурированная светогенерация, и встроенные биосенсоры можно развивать.

Теоретические модели

Все материалы состоят из атомов , которые являются диполями . раз Эти диполи изменяют скорость света в n (показатель преломления). В разрезном кольцевом резонаторе блоки кольца и проволоки действуют как атомные диполи: проволока действует как сегнетоэлектрический атом, кольцо действует как индуктор L, а открытая часть 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 структуры приводит к наклону электрической индукции.)

Несколько (математических) моделей материалов, частотная характеристика в DNG. Одной из них является модель Лоренца , которая описывает движение электрона в терминах затухающего гармонического осциллятора . Модель релаксации Дебая применяется, когда компонент ускорения математической модели Лоренца мал по сравнению с другими компонентами уравнения. Модель Друде применяется, когда составляющая восстанавливающей силы незначительна, а коэффициент связи обычно равен плазменной частоте . Другие различия компонентов требуют использования одной из этих моделей в зависимости от ее полярности или назначения.

Трехмерные композиты металлических/неметаллических включений, периодически/случайно внедренных в матрицу с низкой диэлектрической проницаемостью, обычно моделируются аналитическими методами, включая формулы смешивания и методы, основанные на матрице рассеяния. Частица моделируется либо электрическим диполем, параллельным электрическому полю, либо парой скрещенных электрического и магнитного диполей, параллельных электрическому и магнитному полю соответственно приложенной волны. Эти диполи являются главными членами ряда мультиполей. Они единственные существующие для однородной сферы, поляризуемость которой легко получить из коэффициентов рассеяния Ми . 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 относятся низкая стоимость вычислений и математическая простота.

Три концепции – среда с отрицательным показателем преломления, неотражающий кристалл и суперлинза – являются основой теории метаматериала. Другие на первых принципах, методы анализа трехпериодических электромагнитных сред, основанные можно найти в разделе «Вычисление структуры фотонных зон».

Институциональные сети

ПОСЛЕ

Инициатива многопрофильных университетских исследований (MURI) объединяет десятки университетов и несколько правительственных организаций. В число участвующих университетов входят Калифорнийский университет в Беркли, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Калифорнийский университет в Сан-Диего, Массачусетский технологический институт и Имперский колледж в Лондоне. Спонсорами являются Управление военно-морских исследований и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов .

MURI поддерживает исследования, которые пересекают более чем одну традиционную науку и инженерную дисциплину, чтобы ускорить как исследования, так и их внедрение в приложения. Ожидалось, что по состоянию на 2009 год 69 академических учреждений примут участие в 41 исследовательской работе.

метаморфоза

Виртуальный институт искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов «Метаморфоза VI AISBL» — международная ассоциация по продвижению искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов. Он организует научные конференции, поддерживает специализированные журналы, создает и управляет исследовательскими программами, предоставляет программы обучения (включая докторскую степень и программы обучения для промышленных партнеров); и передача технологий европейской промышленности.

См. также

• Метаповерхность
• Искусственные диэлектрики — макроскопические аналоги диэлектриков природного происхождения , которые стали использоваться в радиолокационных микроволновых технологиях, разработанных между 1940-ми и 1970-ми годами.
• METATOY ( Метаматериал для лучей как небольшие ) — состоит из структур со сверхдлиной волн, таких массивы призм и линз, и может работать в широком диапазоне частот.
• Магноника
• Метаматериалы (журнал)
• Справочник по метаматериалам
• Метаматериалы: физические и инженерные исследования

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с метаматериалами, на Викискладе?