Метаматериал с отрицательным индексом

Метаматериал с отрицательным коэффициентом преломления заставляет свет преломляться или изгибаться иначе, чем в более распространенных материалах с положительным коэффициентом преломления, таких как стеклянные линзы.

Метаматериал с отрицательным показателем преломления или материал с отрицательным показателем ( NIM ) — это метаматериал которого , показатель преломления для электромагнитной волны имеет отрицательное значение в некотором диапазоне частот .

NIM состоят из периодических основных частей, называемых элементарными ячейками , размер которых обычно значительно меньше длины волны внешнего электромагнитного излучения . Элементарные ячейки первых экспериментально исследованных НИМ были построены из материала печатной платы , или, другими словами, из проводов и диэлектриков . В общем, эти искусственно созданные ячейки расположены друг над другом или плоские и имеют определенную повторяющуюся структуру, образуя отдельный NIM. Например, элементарные ячейки первых NIM располагались друг над другом горизонтально и вертикально, в результате чего повторялся и предполагался шаблон (см. изображения ниже).

Характеристики реакции каждой элементарной ячейки заранее определяются до начала строительства и основаны на предполагаемой реакции всего вновь построенного материала. Другими словами, каждая ячейка индивидуально настроена на определенный ответ в зависимости от желаемого результата NIM. Реакция агрегата в основном определяется геометрией каждой элементарной ячейки и существенно отличается от реакции составляющих ее материалов. Другими словами, NIM реагирует на новый материал, в отличие от проводов или металлов и диэлектриков, из которых он сделан. Таким образом, NIM стал эффективным средством . Кроме того, по сути, этот метаматериал стал «упорядоченным макроскопическим материалом, синтезированным снизу вверх», и обладает новыми свойствами, выходящими за рамки его компонентов.

Метаматериалы, которые имеют отрицательное значение показателя преломления, часто обозначаются одной из нескольких терминологий: левая среда или левосторонний материал (LHM), среда обратной волны (BW среда), среда с отрицательным показателем преломления, двойной отрицательный материал. (DNG) метаматериалы и другие подобные названия.

Свойства и характеристики

Резонаторная решетка с разъемным кольцом, обеспечивающая отрицательный показатель преломления , состоит из медных резонаторов с разъемным кольцом и проводов, закрепленных на взаимосвязанных листах монтажной платы из стекловолокна.
Общий массив состоит из 3 элементарных ячеек размером 20×20 габаритными размерами 10×100×100 миллиметров. Высота 10 миллиметров составляет чуть больше шести делений на линейке, которая отмечена в дюймах.

Электродинамику сред с отрицательными показателями преломления впервые изучил российский физик-теоретик Виктор Веселаго из МФТИ в 1967 году. , что предлагаемые левосторонние материалы или с отрицательным преломлением материалы Предполагалось обладают оптическими свойствами, противоположными свойствам стекла , воздуха и других прозрачных сред . Было предсказано, что такие материалы будут проявлять нелогичные свойства, такие как изгибание или преломление света необычными и неожиданными способами. Однако первый практический метаматериал был создан лишь 33 года спустя, и он действительно поддерживает концепции Веселаго.

В настоящее время разрабатываются метаматериалы с отрицательным индексом, позволяющие манипулировать электромагнитным излучением по-новому . Например, оптические и электромагнитные свойства природных материалов часто изменяются с помощью химии . С помощью метаматериалов можно создавать оптические и электромагнитные свойства, изменяя геометрию их элементарных ячеек . Элементарные ячейки представляют собой материалы, упорядоченные в геометрической форме, размеры которых составляют доли длины волны излучаемой электромагнитной волны . Каждая искусственная единица реагирует на излучение источника. реакция материала на электромагнитную волну . Общий результат — это более широкая, чем обычно,

Впоследствии передача изменяется путем изменения формы, размера и конфигурации элементарных ячеек. Это приводит к контролю над параметрами материала, известными как диэлектрическая и магнитная проницаемость . Эти два параметра (или величины) определяют распространение электромагнитных волн в веществе . Следовательно, контроль значений диэлектрической проницаемости и проницаемости означает, что показатель преломления может быть отрицательным или нулевым, а также обычно положительным. Все зависит от предполагаемого применения или желаемого результата . Таким образом, оптические свойства могут быть расширены за пределы возможностей линз , зеркал и других обычных материалов. Кроме того, одним из наиболее изученных эффектов является отрицательный показатель преломления.

Обратное распространение

Когда возникает отрицательный показатель преломления, распространение электромагнитной волны меняется на противоположное. Становится возможным разрешение ниже дифракционного предела . Это известно как субволновая визуализация . Еще одна возможность — передача луча света через электромагнитно плоскую поверхность. Напротив, обычные материалы обычно изогнуты и не могут достичь разрешения ниже дифракционного предела. Кроме того, обращение электромагнитных волн в материале в сочетании с другими обычными материалами (включая воздух) может привести к минимизации потерь, которые обычно происходят.

Реверс электромагнитной волны, характеризующийся антипараллельной фазовой скоростью, также является показателем отрицательного показателя преломления.

Кроме того, материалы с отрицательным индексом представляют собой композиты, изготовленные по индивидуальному заказу. Другими словами, материалы комбинируются с учетом желаемого результата. Комбинации материалов могут быть разработаны для достижения оптических свойств, не встречающихся в природе. Свойства композитного материала обусловлены его решетчатой ​​структурой , состоящей из компонентов, меньших длины волны падающего электромагнитного излучения , разделенных расстояниями, которые также меньше длины волны падающего электромагнитного излучения. Аналогичным образом, создавая такие метаматериалы, исследователи пытаются преодолеть фундаментальные ограничения, связанные с волны света длиной . Необычные и противоречащие здравому смыслу свойства в настоящее время находят практическое и коммерческое применение для управления электромагнитными микроволнами в беспроводных и коммуникационных системах . Наконец, исследования продолжаются в других областях электромагнитного спектра , включая видимый свет .

Материалы

Первые настоящие метаматериалы работали в микроволновом режиме или сантиметровых длинах волн электромагнитного спектра (около 4,3 ГГц). Он был построен из разрезных кольцевых резонаторов и прямых проводящих проводов (как элементарные ячейки). Размер элементарных ячеек составлял от 7 до 10 миллиметров . Элементарные ячейки были расположены в виде двумерного ( периодического ) повторяющегося узора, который создавал кристаллоподобную геометрию. И элементарные ячейки, и шаг решетки были меньше излучаемой электромагнитной волны. В результате появился первый левосторонний материал, когда диэлектрическая и проницаемость материала были отрицательными. Эта система основана на резонансном поведении элементарных ячеек. Ниже группа исследователей развивает идею левого метаматериала, который не основан на таком резонансном поведении.

Продолжаются исследования в микроволновом диапазоне с использованием разрезных кольцевых резонаторов и проводящих проводов. Исследования также продолжаются в более коротких длинах волн с такой конфигурацией материалов, а размеры элементарных ячеек уменьшаются. Однако на частоте около 200 терагерц возникают проблемы, которые делают проблематичным использование разъемного кольцевого резонатора. « Альтернативные материалы становятся более подходящими для терагерцового и оптического режимов ». На этих длинах волн становятся важными выбор материалов и ограничения по размерам. Например, в 2007 году конструкция из проволоки размером 100 нанометров, сделанная из серебра и сплетенная повторяющимся узором, передала лучи на длине волны 780 нанометров, дальнем конце видимого спектра. Исследователи полагают, что это привело к отрицательной рефракции 0,6. Тем не менее, он работает только на одной длине волны, как и его предшественники-метаматериалы, в микроволновом режиме. Следовательно, задача состоит в том, чтобы изготовить метаматериалы так, чтобы они «преломляли свет на все меньших длинах волн», и развивать широкополосные возможности.

Искусственные линии электропередачи

Основная статья: Антенна из метаматериала

В литературе по метаматериалам среда или средства массовой информации относятся к передающей среде или оптической среде . В 2002 году группе исследователей пришла в голову идея, что в отличие от материалов, поведение которых зависит от резонанса, нерезонансные явления могут преодолеть ограничения узкой полосы пропускания конфигурации проволочного/ разрезного кольцевого резонатора . Эта идея воплотилась в тип среды с более широкой полосой пропускания, отрицательным преломлением , обратными волнами и фокусировкой за пределами дифракционного предела .

Они отказались от резонаторов с разъемным кольцом и вместо этого использовали сеть L – C. нагруженных линий передачи В литературе по метаматериалам это стало известно как искусственная среда передачи . В то время у него было дополнительное преимущество: он был более компактным, чем устройство, состоящее из проводов и разъемных кольцевых резонаторов. Сеть была одновременно масштабируемой (от мегагерц до десятков гигагерц ) и настраиваемой. Он также включает в себя метод фокусировки интересующих длин волн . К 2007 году линия передачи с отрицательным показателем преломления была использована в качестве субволновой фокусирующей плоской линзы в свободном пространстве. То, что это объектив для свободного пространства, является значительным достижением. Часть предыдущих исследований была направлена ​​на создание линзы, которую не нужно было бы встраивать в линию передачи.

Оптическая область

Основные статьи: Фотонный метаматериал и плазмонный метаматериал

Компоненты метаматериала уменьшаются по мере того, как исследования исследуют более короткие длины волн (более высокие частоты) электромагнитного спектра в инфракрасном и видимом спектрах . Например, теория и эксперимент исследовали меньшие по размеру разъемные кольцевые резонаторы в форме подковы, спроектированные с использованием литографических методов. а также парные металлические наностержни или нанополоски, и наночастицы как схемы, разработанные с использованием моделей сосредоточенных элементов.

Приложения

Наука о материалах с отрицательным коэффициентом преломления сопоставляется с традиционными устройствами, которые передают, передают, формируют или принимают электромагнитные сигналы, передаваемые по кабелям, проводам или воздуху. Свойства материалов, устройств и систем, задействованных в этой работе, могут быть изменены или улучшены. Следовательно, это уже происходит с антеннами из метаматериала. и сопутствующие устройства, которые имеются в продаже. Более того, в области беспроводной связи эти метаматериальные устройства продолжают исследоваться. Другие приложения также исследуются. Это электромагнитные поглотители , такие как поглотители радиолокационных микроволновых волн , электрически малые резонаторы , волноводы, которые могут выходить за дифракционный предел , фазовые компенсаторы , достижения в фокусирующих устройствах (например, микроволновые линзы ) и улучшенные электрически малые антенны.

В режиме оптической частоты разработка суперлинзы может позволить получать изображения ниже дифракционного предела . Другими потенциальными применениями метаматериалов с отрицательным преломлением являются оптическая нанолитография , нанотехнологические схемы, а также суперлинза ближнего поля (Pendry, 2000), которая может быть полезна для биомедицинской визуализации и субволновой фотолитографии.

Манипулирование диэлектрической проницаемостью и проницаемостью

Преломление света на границе раздела двух сред с разными показателями преломления , при n ₂ > n ₁ . Поскольку во второй среде скорость меньше (v ₂ < v ₁ ), то угол преломления θ ₂ меньше угла падения θ ₁ ; то есть луч в среде с более высоким индексом ближе к нормальному.

Для описания любых электромагнитных свойств данного ахирального материала, такого как оптическая линза , существуют два важных параметра. Это диэлектрическая проницаемость , $\epsilon _{r}$и проницаемость , $\mu _{r}$, которые позволяют точно прогнозировать световые волны, распространяющиеся внутри материалов, и электромагнитные явления , возникающие на границе раздела двух материалов.

Например, рефракция — это электромагнитное явление, возникающее на границе раздела двух материалов. Закон Снелла гласит, что связь между углом падения луча электромагнитного излучения (света) и результирующим углом преломления зависит от показателей преломления, $n$, из двух носителей (материалов). Показатель преломления ахиральной среды определяется выражением $\scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}$. Следовательно, видно, что показатель преломления зависит от этих двух параметров. Следовательно, если спроектированные или произвольно измененные значения могут быть входными данными для $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$, то поведением распространяющихся электромагнитных волн внутри материала можно будет манипулировать по своему желанию. Эта способность затем позволяет намеренно определять показатель преломления.

Duration: 25 seconds.0:25

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

Например, в 1967 году Виктор Веселаго аналитически определил, что свет будет преломляться в обратном направлении (отрицательно) на границе раздела между материалом с отрицательным показателем преломления и материалом с обычным положительным показателем преломления . Этот необычный материал был реализован на бумаге с одновременными отрицательными значениями для $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$, и поэтому его можно назвать двойным отрицательным материалом. Однако во времена Веселаго материал, который одновременно проявлял бы двойные отрицательные параметры, казался невозможным, поскольку не существовало природных материалов, которые могли бы производить такой эффект. Поэтому его работы игнорировались в течение трех десятилетий. Позже его номинировали на Нобелевскую премию.

В целом физические свойства природных материалов вызывают ограничения. Большинство диэлектриков имеют только положительную диэлектрическую проницаемость. $\epsilon _{r}$ > 0. Металлы будут иметь отрицательную диэлектрическую проницаемость, $\epsilon _{r}$ < 0 на оптических частотах, и плазма демонстрирует отрицательные значения диэлектрической проницаемости в определенных диапазонах частот. Пендри и др. продемонстрировал, что плазменную частоту можно заставить возникать на более низких микроволновых частотах для металлов с помощью материала, изготовленного из металлических стержней, который заменяет основной металл . Однако в каждом из этих случаев проницаемость остается всегда положительной. материалах возможно возникновение отрицательных значений μ На микроволновых частотах в некоторых ферромагнитных . Но присущим недостатком является то, что их трудно найти на частотах выше терагерца . В любом случае природный материал, который мог бы одновременно достигать отрицательных значений диэлектрической и проницаемой проницаемости, не был найден или обнаружен. Следовательно, все это привело к созданию искусственных композиционных материалов, известных как метаматериалы, для достижения желаемых результатов.

Отрицательный показатель преломления из-за киральности.

В случае хиральных материалов показатель преломления $n$ зависит не только от диэлектрической проницаемости $\epsilon _{r}$ и проницаемость $\mu _{r}$, но и по параметру киральности $\kappa$, что приводит к различным значениям для волн с левой и правой круговой поляризацией, определяемых выражением

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

Отрицательный индекс будет иметь место для волн одной круговой поляризации, если $\kappa$ > ${\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}$. В этом случае не обязательно, чтобы один или оба $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ быть отрицательным для достижения отрицательного показателя преломления. Отрицательный показатель преломления из-за киральности был предсказан Пендри. и Третьяков и др. , и впервые наблюдался одновременно и независимо Plum et al. и Чжан и др. в 2009 году.

Физические свойства, никогда ранее не встречавшиеся в природе.

В 1996 и 1999 годах были опубликованы теоретические статьи, которые показали, что синтетические материалы могут быть созданы так, чтобы намеренно иметь отрицательную диэлектрическую проницаемость и проницаемость .

Эти статьи, наряду с Веселаго теоретическим анализом свойств материалов с отрицательным преломлением, проведенным в 1967 году, обеспечили основу для изготовления метаматериала с отрицательной эффективной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью. См. ниже.

Метаматериал , разработанный для демонстрации поведения с отрицательным индексом, обычно формируется из отдельных компонентов. Каждый компонент по-разному и независимо реагирует на излучаемую электромагнитную волну , проходящую через материал. Поскольку эти компоненты меньше длины волны излучения , понятно, что макроскопический вид включает в себя эффективное значение как диэлектрической проницаемости, так и проницаемости.

Композитный материал

В 2000 году под руководством Дэвида Р. Смита группа исследователей UCSD создала новый класс композитных материалов , нанеся на подложку печатной платы структуру, состоящую из серии тонких медных разрезных колец и обычных отрезков провода, натянутых параллельно пластине. кольца. Этот материал обладал необычными физическими свойствами , которые никогда не наблюдались в природе. Эти материалы подчиняются законам физики , но ведут себя иначе, чем обычные материалы. По сути, эти метаматериалы с отрицательным преломлением были известны своей способностью обращать вспять многие физические свойства , которые определяют поведение обычных оптических материалов. Одним из таких необычных свойств является способность впервые обратить вспять Снелла закон преломления . До демонстрации отрицательного показателя преломления микроволн командой UCSD этот материал был недоступен. Достижения 1990-х годов в области производства и вычислительных возможностей позволили эти первые метаматериалы создать . Таким образом, «новый» метаматериал был протестирован на эффекты, описанные Виктор Веселаго 30 лет назад. Исследования этого эксперимента, последовавшие вскоре после этого, показали, что имели место и другие эффекты.

С антиферромагнетиками и некоторыми типами изолирующих ферромагнетиков эффективная отрицательная магнитная проницаемость достижима при наличии поляритонного резонанса. Однако для достижения отрицательного показателя преломления диэлектрическая проницаемость с отрицательными значениями должна находиться в том же частотном диапазоне. Искусственно изготовленный резонатор с разрезным кольцом представляет собой конструкцию, которая позволяет достичь этой цели, а также обещает снизить высокие потери. Похоже, что при первом внедрении метаматериала понесенные потери были меньше, чем у антиферромагнитных или ферромагнитных материалов.

Впервые продемонстрированный в 2000 году, композитный материал (NIM) был ограничен передачей микроволнового излучения на частотах от 4 до 7 гигагерц (длины волн 4,28–7,49 см). Этот диапазон находится между частотой бытовых микроволновых печей ( ~2,45   ГГц , 12,23 см) и военных радаров (~10 ГГц, 3 см). На продемонстрированных частотах импульсы электромагнитного излучения , движущиеся через материал в одном направлении, состоят из составляющих волн, движущихся в противоположном направлении.

Метаматериал был сконструирован как периодический массив медных разъемных колец и проводящих элементов , нанесенных на подложку печатной платы. Конструкция была такова, что ячейки и расстояние между ними были намного меньше длины волны излучаемого электромагнитного излучения . Следовательно, он ведет себя как эффективная среда . Материал стал примечателен тем, что диапазон его значений (эффективной) диэлектрической проницаемости ε _eff и проницаемости μ _eff превысил диапазон значений, обнаруженных в любом обычном материале. Кроме того, особенность отрицательной (эффективной) проницаемости, проявляемая этой средой, особенно примечательна, поскольку она не обнаружена в обычных материалах. Кроме того, отрицательные значения магнитного компонента напрямую связаны с его левой номенклатурой и свойствами (обсуждаемыми в разделе ниже). Резонатор с разъемным кольцом (SRR), основанный на предыдущей теоретической статье 1999 года, представляет собой инструмент, используемый для достижения отрицательной проницаемости. Этот первый композитный метаматериал затем состоит из резонаторов с разрезным кольцом и электропроводящих штырей.

Первоначально эти материалы были продемонстрированы только на длинах волн, длиннее, чем в видимом спектре . Кроме того, первые NIM изготавливались из непрозрачных материалов и обычно из немагнитных компонентов. Однако в качестве иллюстрации: если эти материалы созданы на видимых частотах , и на полученную плиту NIM осветлен фонарик , материал должен фокусировать свет в точке на другой стороне. С листом обычного непрозрачного материала это невозможно. В 2007 году NIST в сотрудничестве с лабораторией Этуотер в Калифорнийском технологическом институте создал первый NIM, активный на оптических частотах. Совсем недавно (по состоянию на 2008 г. ), слоистые «ажурные» материалы NIM из кремниевых и серебряных проволок были интегрированы в оптические волокна для создания активных оптических элементов.

Одновременная отрицательная диэлектрическая проницаемость и проницаемость

Отрицательная диэлектрическая проницаемость ε _eff < 0 была обнаружена и реализована в металлах для частот вплоть до плазменной частоты , еще до появления первого метаматериала. Есть два требования для достижения отрицательного значения рефракции . Во-первых, необходимо изготовить материал, который может обеспечивать отрицательную проницаемость μ _eff < 0. Во-вторых, отрицательные значения как диэлектрической проницаемости, так и проницаемости должны возникать одновременно в общем диапазоне частот.

Следовательно, для первого метаматериала гайки и болты представляют собой один разъемный кольцевой резонатор, электромагнитно объединенный с одним (электрическим) проводящим столбом. Они предназначены для резонанса на определенных частотах для достижения желаемых значений. Глядя на структуру разделенного кольца, можно увидеть, что связанная с ним картина магнитного поля от SRR является диполярной . Это диполярное поведение примечательно тем, что оно имитирует природный атом , но в гораздо большем масштабе, например, в данном случае, в 2,5 миллиметра . Атомы существуют в масштабе пикометров .

Расколы в кольцах создают динамику , при которой элементарную ячейку SRR можно сделать резонансной на излучаемых длинах волн, намного превышающих диаметр колец . Если бы кольца были замкнутыми, граница на половине длины волны была бы электромагнитно наложена как требование для резонанса .

Разрез во втором кольце ориентирован противоположно разлому в первом кольце. Он предназначен для создания большой емкости , которая возникает в небольшом зазоре. Эта емкость существенно снижает резонансную частоту при концентрации электрического поля . Отдельный SRR, изображенный справа, имел резонансную частоту 4,845 ГГц , также показана резонансная кривая, вставленная в график. радиационные потери от поглощения и отражения Отмечается, что в свободном пространстве излучения малы, поскольку размеры устройства намного меньше длины волны .

Когда эти блоки или ячейки объединяются в периодическую структуру , магнитная связь между резонаторами усиливается и возникает сильная магнитная связь . Начинают проявляться свойства, уникальные по сравнению с обычными или традиционными материалами. Во-первых, эта периодическая сильная связь создает материал, который теперь имеет эффективную магнитную проницаемость μ _eff в ответ на излучаемое падающее магнитное поле.

Полоса пропускания композитного материала

На графике общей дисперсионной кривой видно , что область распространения возникает от нуля до нижнего края полосы , за которой следует промежуток, а затем верхняя полоса пропускания . Наличие разрыва в 400 МГц между частотами 4,2 ГГц и 4,6 ГГц подразумевает полосу частот, в которой имеет место μ _eff < 0.

( Пожалуйста, см. изображение в предыдущем разделе )

Кроме того, когда провода добавляются симметрично между разъемными кольцами, полоса пропускания возникает внутри ранее запрещенной зоны дисперсионных кривых разъемных колец. Тот факт, что эта полоса пропускания возникает внутри ранее запрещенной области, указывает на то, что отрицательное ε _eff для этой области в сочетании с отрицательным µ _eff обеспечивает распространение, что соответствует теоретическим предсказаниям. Математически уравнение дисперсии приводит к полосе с отрицательной групповой скоростью повсюду и шириной полосы, которая не зависит от плазменной частоты в пределах установленных условий.

Математическое моделирование и эксперимент показали, что периодически расположенные проводящие элементы (немагнитные по своей природе) реагируют преимущественно на магнитную составляющую падающих электромагнитных полей . В результате получается эффективная среда и отрицательное значение μэфф _в определенной полосе частот. Подтверждено, что проницаемость — это область запрещенной зоны, где возникает разрыв в распространении — от конечного участка материала. В сочетании с материалом с отрицательной диэлектрической проницаемостью ε _eff < 0 образовалась «левая» среда, которая сформировала полосу распространения с отрицательной групповой скоростью там, где раньше было только затухание. Это подтвердило прогнозы. Кроме того, более поздняя работа определила, что этот первый метаматериал имел диапазон частот, в котором прогнозировалось, что показатель преломления будет отрицательным для одного направления распространения (см. ). Другие предсказанные электродинамические эффекты должны были быть изучены в других исследованиях.

Описание левостороннего материала

Сравнение преломления в метаматериале с отрицательным показателем преломления и в обычном материале, имеющем такой же, но положительный показатель преломления. Падающий луч θ входит из воздуха и преломляется в обычном (θ’) или метаматериале (-θ’).

Из выводов, сделанных в приведенном выше разделе, можно определить левосторонний материал (LHM). Это материал, который демонстрирует одновременные отрицательные значения диэлектрической проницаемости ε и проницаемости µ в перекрывающейся области частот. Поскольку значения получены из эффектов системы сложной среды в целом, они определяются как эффективная диэлектрическая проницаемость ε _eff и эффективная проницаемость µ _eff . Затем выводятся действительные значения для обозначения значения отрицательного показателя преломления и волновых векторов . Это означает, что на практике потери будут иметь место для данной среды, используемой для передачи электромагнитного излучения, например, микроволнового , инфракрасного или видимого света . В этом случае реальные значения описывают либо амплитуду , либо интенсивность передаваемой волны относительно падающей волны, игнорируя при этом незначительные значения потерь.

Изотропный отрицательный индекс в двух измерениях

В приведенных выше разделах впервые был изготовлен метаматериал с резонирующими элементами , имеющими одно направление падения и поляризацию . Другими словами, эта структура демонстрировала левостороннее распространение в одном измерении. Это обсуждалось в связи с плодотворной работой Веселаго 33 года назад (1967). Он предсказал, что материалу, который демонстрирует отрицательные значения эффективной диэлектрической проницаемости и проницаемости , присущи несколько типов обратных физических явлений . Следовательно, тогда, как и ожидалось, возникла острая необходимость в LHM более высоких измерений для подтверждения теории Веселаго. Подтверждение будет включать в себя изменение закона Снелла (показатель преломления), а также другие обратные явления.

В начале 2001 года сообщалось о существовании структуры более высокой размерности. Оно было двумерным и продемонстрировано как экспериментом, так и численным подтверждением. Это был LHM , композитный материал, состоящий из проволочных полосок, установленных за резонаторами с разъемным кольцом (SRR) в периодической конфигурации. Он был создан специально для того, чтобы быть пригодным для дальнейших экспериментов по получению эффектов, предсказанных Веселаго.

Экспериментальная проверка отрицательного показателя преломления

Разрезной кольцевой резонатор, состоящий из внутреннего квадрата с разрезом с одной стороны, заделанного во внешний квадрат с разрезом с другой стороны. Разрезные кольцевые резонаторы расположены на передней и правой поверхностях квадратной сетки, а одиночные вертикальные проволочки - на задней и левой поверхностях.

Теоретическая работа, опубликованная в 1967 году советским физиком Виктором Веселаго, показала, что показатель преломления с отрицательными значениями возможен и что это не нарушает законов физики. Как обсуждалось ранее (выше), первый метаматериал имел диапазон частот, в котором прогнозировалось, что показатель преломления будет отрицательным для одного направления распространения . Об этом сообщалось в мае 2000 года.

В 2001 году группа исследователей сконструировала призму, состоящую из метаматериалов (метаматериалов с отрицательным показателем преломления), чтобы экспериментально проверить отрицательный показатель преломления. В эксперименте использовался волновод, который помогал передавать нужную частоту и изолировать материал. Этот тест достиг своей цели, поскольку успешно подтвердил отрицательный показатель преломления.

За экспериментальной демонстрацией отрицательного показателя преломления в 2003 году последовала еще одна демонстрация изменения закона Снелла или обратного преломления. Однако в этом эксперименте отрицательный показатель преломления материала находится в свободном пространстве от 12,6 до 13,2 ГГц. Хотя диапазон излучаемых частот примерно одинаков, примечательным отличием является то, что этот эксперимент проводится в свободном пространстве, а не с использованием волноводов.

Для подтверждения достоверности отрицательного преломления был рассчитан поток мощности волны, передаваемой через левосторонний материал с дисперсией, и сравнен с дисперсионным правосторонним материалом. Используется передача падающего поля, состоящего из многих частот, из изотропного недисперсионного материала в изотропную дисперсионную среду. Направление потока мощности как для недисперсионных, так и для диспергирующих сред определяется усредненным по времени Вектор Пойнтинга . Путем явного расчета вектора Пойнтинга в LHM было показано, что отрицательная рефракция возможна для многочастотных сигналов.

Фундаментальные электромагнитные свойства НИМ

В пластине из обычного материала с обычным показателем преломления – правостороннего материала (RHM) – волновой фронт передается от источника. В NIM волновой фронт движется к источнику. Однако величина и направление потока энергии по существу остаются одинаковыми как в обычном материале, так и в НИМ. Поскольку поток энергии остается одинаковым в обоих материалах (средах), импеданс NIM соответствует RHM. Следовательно, знак собственного импеданса в NIM по-прежнему положителен.

Свет, падающий на левосторонний материал, или NIM, будет изгибаться в ту же сторону, что и падающий луч, и для соблюдения закона Снелла угол преломления должен быть отрицательным. В пассивной метаматериальной среде это определяет отрицательные действительную и мнимую части показателя преломления.

Отрицательный показатель преломления в левых материалах

Левша ориентация показана слева, а правша справа.

В 1968 году Виктора Веселаго статья показала, что противоположные направления плоских ЭМ волн и потока энергии были выведены из индивидуальных уравнений ротора Максвелла . В обычных оптических материалах уравнение ротора для электрического поля показывает «правило правой руки» для направлений электрического поля E , магнитной индукции B и распространения волны, которое идет в направлении волнового вектора k . Однако направление потока энергии, образуемого E × H, является правосторонним только тогда, когда проницаемость больше нуля . Это означает, что когда проницаемость меньше нуля, например, отрицательная , распространение волны меняется на противоположное (определяется k) и противоположно направлению потока энергии. Более того, отношения векторов E , H и k образуют « левостороннюю» систему – и именно Веселаго ввел термин «левосторонний» (LH) материал, который широко используется сегодня (2011 г.). Он утверждал, что материал LH имеет отрицательный показатель преломления, и полагался на стационарные решения уравнений Максвелла как на центр своего аргумента.

После 30-летнего перерыва, когда материалы LH были наконец продемонстрированы, можно было сказать, что обозначение отрицательного показателя преломления уникально для систем LH; даже по сравнению с фотонными кристаллами . Фотонные кристаллы, как и многие другие известные системы, могут демонстрировать необычное поведение распространения, например, изменение фазовой и групповой скорости. Но отрицательное преломление не происходит в этих системах, как и в фотонных кристаллах.

Отрицательное преломление на оптических частотах

Отрицательный показатель преломления в оптическом диапазоне впервые был продемонстрирован в 2005 году Шалаевым и др. (на длине волны телекоммуникаций λ = 1,5 мкм) и Брюк и др. (при λ = 2 мкм) почти в одно и то же время.

В 2006 году группа Калифорнийского технологического института под руководством Лезека, Дионна и Этуотера добилась отрицательного преломления в видимом спектральном режиме .

Обратное черенковское излучение

Помимо обратных значений показателя преломления Веселаго предсказал возникновение обращенного черенковского излучения в левой среде. В то время как обычное черенковское излучение излучается в конусе вокруг направления, в котором заряженная частица движется через среду, обращенное черенковское излучение излучается в конусе вокруг противоположного направления. Обратное черенковское излучение было впервые экспериментально продемонстрировано косвенно в 2009 году с использованием фазированной электромагнитной дипольной решетки для моделирования движущейся заряженной частицы. Обратное черенковское излучение, испускаемое реальными заряженными частицами, впервые наблюдалось в 2017 году.

Другая оптика с NIM

Теоретическая работа, наряду с численным моделированием , началась в начале 2000-х годов по изучению возможностей пластин DNG для субволновой фокусировки . Исследование началось с предложенной Пендри « Идеальной линзы ». Несколько исследований, последовавших за выводами Пендри, пришли к выводу, что «идеальная линза» теоретически возможна, но непрактична. Одно направление субволновой фокусировки основывалось на использовании метаматериалов с отрицательным преломлением, но на основе усовершенствований визуализации с помощью поверхностных плазмонов. В другом направлении исследователи исследовали параксиальные аппроксимации плит NIM.

Последствия использования материалов с отрицательным преломлением

Существование материалов с отрицательным преломлением может привести к изменению электродинамических расчетов для случая проницаемости ц = 1. Изменение обычного показателя преломления на отрицательное значение дает неверные результаты для традиционных расчетов, поскольку были изменены некоторые свойства и эффекты. Когда проницаемость μ имеет значения, отличные от 1, это влияет на закон Снеллиуса , эффект Доплера , черенковское излучение , уравнения Френеля и принцип Ферма .

Показатель преломления является основой науки оптики. Сдвиг показателя преломления в отрицательное значение может стать поводом для пересмотра или пересмотра интерпретации некоторых норм или основных законов .

Патент США на левосторонний композитный носитель

Первый патент США на изготовленный метаматериал под названием «Левая композитная среда» Дэвида Р. Смита , Шелдона Шульца , Нормана Кролла и Ричарда А. Шелби был выдан в 2004 году. Изобретение обеспечивает одновременную отрицательную диэлектрическую проницаемость и проницаемость в общей зоне. частот. Материал может включать в себя среду, которая уже является составной или сплошной, но которая будет создавать отрицательную диэлектрическую проницаемость и проницаемость в одном и том же спектре частот. Различные типы непрерывных или композитных материалов могут считаться подходящими при их объединении для достижения желаемого эффекта. Однако включение периодического массива проводящих элементов является предпочтительным. Массив рассеивает электромагнитное излучение на длинах волн, превышающих размер элемента и шаг решетки. Массив тогда рассматривается как эффективная среда .

См. также

• История метаматериалов
• Суперлинза
• Маскировка метаматериала
• Фотонные метаматериалы
• Метаматериальная антенна
• Нелинейные метаматериалы
• Фотонный кристалл
• Сейсмические метаматериалы
• Разъемный кольцевой резонатор
• Акустические метаматериалы
• Метаматериал поглотитель
• Метаматериал
• Плазмонные метаматериалы
• Терагерцовые метаматериалы
• Настраиваемые метаматериалы
• Трансформационная оптика
• Теории маскировки

Академические журналы

• Метаматериалы

Книги о метаматериалах

• Справочник по метаматериалам
• Метаматериалы: физические и инженерные исследования

Примечания

Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов правительства США . - НИСТ

Дальнейшее чтение

• С. Ананта Рамакришна; Томаш М. Гжегорчик (2008). Физика и применение материалов с отрицательным показателем преломления (PDF) . ЦРК Пресс. дои : 10.1201/9781420068764.ch1 . ISBN  978-1-4200-6875-7 . Архивировано из оригинала (PDF) 03 марта 2016 г.
• Рамакришна, С. Ананта (2005). «Физика материалов с отрицательным показателем преломления». Отчеты о прогрессе в физике . 68 (2): 449. Бибкод : 2005РПФ...68..449Р . дои : 10.1088/0034-4885/68/2/R06 . S2CID   250829241 .

• Пендри, Дж.; Холден, А.; Стюарт, В.; Янгс, И. (1996). «Чрезвычайно низкочастотные плазмоны в металлических мезоструктурах» (PDF) . Письма о физических отзывах . 76 (25): 4773–4776. Бибкод : 1996PhRvL..76.4773P . дои : 10.1103/PhysRevLett.76.4773 . ПМИД   10061377 . Архивировано из оригинала (PDF) 17 июля 2011 г. Проверено 18 августа 2011 г.

• Пендри, Дж.Б.; Холден, Эй Джей; Роббинс, диджей; Стюарт, WJ (1998). «Низкочастотные плазмоны в тонкопроволочных структурах» (PDF) . Физический журнал: конденсированное вещество . 10 (22): 4785–4809. Бибкод : 1998JPCM...10.4785P . дои : 10.1088/0953-8984/22.10.007 . S2CID   250891354 . Также смотрите Препринт-авторскую копию .
• Падилья, Вилли Дж.; Басов Дмитрий Н.; Смит, Дэвид Р. (2006). «Метаматериалы с отрицательным показателем преломления» . Материалы сегодня . 9 (7–8): 28. doi : 10.1016/S1369-7021(06)71573-5 .
• Баиндир, Мехмет; Айдын, К.; Озбай, Э.; Маркош, П.; Сукулис, CM (1 июля 2002 г.). «Пропускные свойства композитных метаматериалов в свободном пространстве» (PDF) . Письма по прикладной физике . 81 (1): 120. Бибкод : 2002ApPhL..81..120B . дои : 10.1063/1.1492009 . hdl : 11693/24684 .

Внешние ссылки

• Манипулирование ближним полем с помощью метаматериалов. Слайд-шоу с доступным звуком, доктор Джон Пендри, Имперский колледж, Лондон
• Ласло Шоймар; Екатерина Шамонина (15 марта 2009 г.). Волны в метаматериалах . Издательство Оксфордского университета, США. Март 2009 г. ISBN.  978-0-19-921533-1 .
• «Иллюстрация закона преломления» .
• Янг, Эндрю Т. (1999–2009). «Введение в миражи» . SDSU Сан-Диего, Калифорния . Проверено 12 августа 2009 г.
• Гарретт, К.; и др. (25 сентября 1969 г.). «Световой импульс и анамольная дисперсия» (PDF) . Физ. Преподобный А. 1 (2): 305–313. Бибкод : 1970PhRvA...1..305G . дои : 10.1103/PhysRevA.1.305 .
• Список новостей научного сайта о материалах для левшей
• Калоз, Кристоф (март 2009 г.). «Перспективы ЭМ-метаматериалов» . Материалы сегодня . 12 (3): 12–20. дои : 10.1016/S1369-7021(09)70071-9 .