Метаматериал

Метаматериал (от греческого слова μετά meta, означающего "за пределами", и латинского слова materia, означающего "материя" или "материал") - это любой материал, созданный таким образом, чтобы обладать свойствами, которых нет в природных материалах.Они состоят из множества элементов, изготовленных из композитных материалов, таких как металлы и пластмассы. Материалы обычно располагаются в виде повторяющихся узоров в масштабах, меньших, чем длина волны о явлениях, на которые они влияют. Метаматериалы получают свои свойства не из свойств исходных материалов, а из их новых конструкций. Их точная форма, геометрия, размер, ориентация и расположение придают им интеллектуальные свойства, позволяющие манипулировать электромагнитными волнами: блокировать, поглощать, усиливать или изгибать волны, чтобы достичь преимуществ, выходящих за рамки того, что возможно с обычными материалами.

Правильно спроектированные метаматериалы могут воздействовать на волны электромагнитного излучения или звука способом, не наблюдаемым в сыпучих материалах. те, которые демонстрируют отрицательный показатель преломления для определенных длин волн, были в центре внимания большого количества исследований. Эти материалы известны как метаматериалы с отрицательным индексом.

Потенциальных применений метаматериалов разнообразны и включают в себя оптический фильтр, медицинской техники, дистанционного аэрокосмического применения, датчика обнаружения и мониторинга инфраструктуры, умные солнечные электростанции управления, контроля толпы, обтекатели, высокие частоты боя общения и линзы для антенны с высоким коэффициентом усиления, улучшения ультразвуковых датчиков, и даже защитных сооружений от землетрясений. метаматериалы обладают потенциалом для создания superlenses. Такая линза могла бы позволить визуализировать изображение ниже дифракционного предела то есть минимального разрешения этого можно добиться с помощью обычных стеклянных линз. Одна из форм "невидимости" была продемонстрирована с использованием градиентно-индексных материалов. Акустические и сейсмические метаматериалы также являются областями исследований.

Исследования метаматериалов носят междисциплинарный характер и охватывают такие области , как электротехника, электромагнетизм, классическая оптика, физика твердоготела , микроволновая и антенная техника, оптоэлектроника, материаловедение, нанонаука и полупроводниковая техника.

Конфигурация матрицы метаматериала с отрицательным индексом, которая была построена из медных разрезных кольцевых резонаторов и проводов, установленных на блокирующих листах стеклопластиковой печатной платы. Общая матрица состоит из 3х20х20 единичных ячеек с габаритными размерами 10 мм × 100 мм × 100 мм (0,39 дюйма × 3,94 дюйма × 3,94 дюйма)

История

Основная статья: История метаматериалов

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

В конце 1940-х годов Уинстон Э. Кок из AT&T Bell Laboratories разработал материалы, которые имели сходные характеристики с метаматериалами. В 1950-х и 1960-х годах были изучены искусственные диэлектрики для легких микроволновых антенн. Микроволновые радиолокационные поглотители были исследованы в 1980-х и 1990-х годах в качестве приложений для искусственных хиральных сред.

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

В 2000 году Джон Пендри первым определил 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 состояла в том, что металлические провода, выровненные вдоль направления волны, могут обеспечить отрицательную диэлектрическую проницаемость (диэлектрическая функция ε Природные материалы (такие как сегнетоэлектрики) демонстрируют отрицательную диэлектрическую проницаемость; задача состояла в достижении отрицательной проницаемости (мкл В 1999 году Пендри продемонстрировал, что расщепленное кольцо (С-образная форма) с осью, расположенной вдоль направления распространения волны, может сделать это. В той же работе он показал, что периодическая матрица из проволок и колец может давать отрицательный показатель преломления. Пендри также предложил аналогичную конструкцию с отрицательной проницаемостью-швейцарский рулон.

В 2000 году Дэвид Р. Смит и др. сообщается об экспериментальной демонстрации функционирования электромагнитных метаматериалов путем горизонтальной укладки, периодическогоразделения кольцевых резонаторов и тонких проволочных структур. В 2002 году был предложен метод реализации метаматериалов с отрицательным индексом с использованием искусственных нагруженных сосредоточенными элементами линий передачи в микрополосковой технологии. В 2003 году были продемонстрированы сложные (как действительные, так и мнимые части) отрицательные показатели преломления и визуализация плоской линзой с использованием левосторонних метаматериалов. К 2007 году были проведены эксперименты с отрицательным показателем преломления были проведены многими группами.на микроволновых частотах был реализован первый, несовершенный плащ-невидимка. 2006.

Электромагнитные метаматериалы

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

Для микроволнового излучения, характеристики на заказе миллиметров. Метаматериалы СВЧ частоты обычно построены как массивы электрически проводных элементов (таких как петли провода), которые имеют соответствующие индуктивные и емкостные характеристики. Многие микроволновые метаматериалы используют разрезные кольцевые резонаторы.

Фотонные метаматериалы структурированы в нанометровом масштабе и манипулируют светом на оптических частотах. Фотонные кристаллы и частотно-селективные поверхности , такие как дифракционные решетки, диэлектрические зеркала и оптические покрытия, имеют сходство с субволновыми структурированными метаматериалами. Однако они обычно считаются отличными от метаматериалов, поскольку их функция возникает из дифракции или интерференции и поэтому не может быть аппроксимирована как однородный материал.тем не менее, такие материальные структуры, как фотонные кристаллы, эффективны в спектре видимого света Середина видимого спектра имеет длину волны приблизительно 560 Нм (для солнечного света). Фотонно-кристаллические структуры обычно вдвое меньше этого размера или меньше, то есть <280 Нм.]

Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны, которые представляют собой пакеты электрических зарядов, которые коллективно колеблются на поверхностях металлов на оптических частотах.

Частотно-селективные поверхности (FSS) могут проявлять субволновые характеристики и известны по-разному как искусственные магнитные проводники (AMC) или Высокоимпедансные поверхности (HIS). ФСС отображают индуктивные и емкостные характеристики, которые непосредственно связаны с их субволновой структурой.

Электромагнитные метаматериалы можно разделить на различные классы следующим образом:

Отрицательный показатель преломления

Сравнение рефракции в левостороннем метаматериале с рефракцией в нормальном материале

Основные статьи: Отрицательно-индексный метаматериал и Отрицательная рефракция

Отрицательно-индексные метаматериалы (ним) характеризуются отрицательным показателем преломления. Другие термины для Нимс включают "левосторонние носители"," носители с отрицательным показателем преломления "и"носители обратной волны". NIMs, где отрицательный показатель преломления возникает из 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, зависимость между диэлектрической проницаемостью ϵ r , проницаемостью μ r и показателем преломления n задается n = ± ϵ r μ r }формулой . Все известные неметаматериальные прозрачные материалы (стекло, вода, ...) обладают положительными ϵ r и μ r отрицательными свойствами . По соглашению положительный квадратный корень используется для n. Тем не менее, некоторые инженерные метаматериалы имеют ϵ r

Поскольку продукт ϵ r μ r является положительным, n является реальным. При таких обстоятельствах необходимо взять отрицательный квадратный корень для n. Когда оба ϵ r 

являются положительными (отрицательными), волны движутся в прямом (обратном) направлении.) направление. Электромагнитные волны не могут распространяться в материалах с ϵ r }противоположным знаком и μ r с противоположным знаком, так как показатель преломления становится мнимым. Такие материалы непрозрачны для электромагнитного излучения , и примеры включают плазмонные материалы, такие как металлы (золото, серебро,...).

Приведенные выше соображения являются упрощенными для реальных материалов, которые должны иметь комплекснозначные ϵ r Реальные части обоих ϵ r не должны быть отрицательными для пассивного материала, чтобы показать отрицательное преломление. действительно, отрицательный показатель преломления для циркулярно поляризованных волн также может возникнуть из-за хиральности. метаматериалы с отрицательным n обладают многочисленными интересными свойствами:

• Закон Снелла (n1sinθ1 = n2sinθ2) по-прежнему описывает преломление, но поскольку n2 является отрицательным, падающие и преломленные лучи находятся на одной и той же стороне поверхности, нормальной на границе раздела положительных и отрицательных индексных материалов.
• Излучение Черенкова указывает на другой путь.[требуется дополнительное объяснение]
• Усредненный по времени вектор Пойнтинга антипараллелен фазовой скорости. Однако для распространения волн (энергии) a –µ должно быть сопряжено с a –ε, чтобы удовлетворить зависимости волнового числа от параметров материала k c = ω μ ϵ {.

Отрицательный показатель преломления математически выводится из векторного триплета E, H и k[5]

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

На сегодняшний день только метаматериалы демонстрируют отрицательный показатель преломления.

Одиночный негатив

Одиночные отрицательные метаматериалы (SNG) имеют либо отрицательную относительную диэлектрическую проницаемость (εr), либо отрицательную относительную проницаемость (µr), но не обе. они действуют как метаматериалы в сочетании с другим, комплементарным SNG, совместно действующим как DNG.

Отрицательные носители Эпсилона (ENG) отображают отрицательное εr, в то время как µr является положительным. многие плазмы проявляют эту особенность. Например, благородные металлы, такие как золото или серебро, проявляются в инфракрасном и видимом спектрах.

Mu-отрицательные среды (MNG) отображают положительный εr и отрицательный µr. Гиротропные или гиромагнитные материалы проявляют эту характеристику. Гиротропный материал-это материал , который был изменен присутствием квазистатического магнитного поля, обеспечивающего магнитооптический эффект. магнитооптический эффект-это явление, при котором электромагнитная волна распространяется через такую среду. В таком материале левая и правая вращающиеся эллиптические поляризации могут распространяться с разной скоростью. Когда свет проходит через слой магнитооптического материала, результат называется Эффект Фарадея: плоскость поляризации может вращаться, образуя Фарадеев ротатор. Результаты такого отражения известны как магнитооптический эффект Керра (не путать с нелинейным эффектом Керра). Два гиротропных материала с обратными направлениями вращения двух главных поляризаций называются оптическими изомерами.

Соединение плиты из материала ENG и плиты из материала MNG привело к таким свойствам, как резонансы, аномальное туннелирование, прозрачность и нулевое отражение. Как и материалы с отрицательным индексом, СНГ являются врожденно дисперсными , поэтому их εr, µr 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 отрицательной и положительной составляющих тензора диэлектрической проницаемости, придавая экстремальную анизотропию. Дисперсионное соотношение материала в волновом пространстве образует гиперболоид, и поэтому его называют гиперболическим метаматериалом. Крайняя анизотропия Гмм приводит к направленному распространению света внутри и на поверхности. Гмм показали различные потенциальные области применения, такие как зондирование, визуализация, управление оптическими сигналами, усиленные эффекты плазмонного резонанса.

Бандгэп

Дополнительная информация: Фотонный кристалл, Электронная зонная структураи связанные колебания

Электромагнитные метаматериалы bandgap (EBG или EBM) контролируют распространение света. Это достигается либо с помощью фотонных кристаллов (ПК), либо с помощью левосторонних материалов (ЛХМ). ПК могут полностью запретить распространение света. Оба класса могут позволить свету распространяться в определенных, спроектированных направлениях, и оба могут быть спроектированы с полосовыми полосами на желаемых частотах. Размер периода Эбгс составляет заметную долю длины волны, создавая конструктивную и деструктивную интерференцию.

ПК отличаются от субволновых структур, таких как перестраиваемые метаматериалы, тем, что ПК получают свои свойства из характеристик запрещенной зоны. ПК определены размер для того чтобы соответствовать длине волны света, против других метаматериалов которые подвергают действию структура под-длины волны. Кроме того, ПК функционируют за счет дифрагирования света. В отличие от этого, метаматериал не использует дифракцию.

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

EBGs имеют целью создание высококачественных, малопотертых, периодических диэлектрических структур. EBG влияет на фотоны точно так же, как полупроводниковые материалы влияют на электроны. ПК-это идеальный запрещенный материал, потому что они не допускают распространения света.Каждая единица предписанной периодической структуры действует как один атом, хотя и гораздо большего размера.

Ebg предназначены для предотвращения распространения выделенной полосы частот для определенных углов прихода и поляризаций. Для создания специальных свойств EBG были предложены различные геометрии и структуры. На практике невозможно построить безупречное устройство EBG.

Эбг были изготовлены для частот в диапазоне от нескольких гигагерц (ГГц) до нескольких терагерц (ТГц), радио, микроволновых и средне-инфракрасных частотных областей. Разработки в области применения EBG включают в себя линию передачи, поленницы из квадратных диэлектрических стержней и несколько различных типов антенн с низким коэффициентом усиления.

Двойная положительная среда

Двойные положительные средства массовой информации (DPS) действительно встречаются в природе, такие как природные диэлектрики. Диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость являются как положительными, так и распространение волны происходит в прямом направлении. Были изготовлены искусственные материалы, которые сочетают в себе свойства DPS, ENG и MNG.

Би-изотропные и бианизотропные

Классификация метаматериалов на двойные или одиночные отрицательные или двойные положительные обычно предполагает, что метаматериал обладает независимыми электрическими и магнитными реакциями, описываемыми ε и µ. Однако во многих случаях электрическое поле вызывает магнитную поляризацию, в то время как магнитное поле индуцирует электрическую поляризацию, известную как магнитоэлектрическая связь. Такие среды называются биизотропными. Среды, которые проявляют магнитоэлектрическую связь и которые являются анизотропными (что имеет место для многих метаматериальных структур), называются Би-анизотропными.]

4 материальных параметра внутреннеприсущи к магнитоэлектрическому соединению двухизотропных средств массовой информации. Они являются электрическими (E) и магнитными (H) полями, а также электрическими (D) и магнитными (B) плотностями потока. Этими параметрами являются ε, µ, κ и χ или диэлектрическая проницаемость, проницаемость, прочность хиральности и параметр Теллегена соответственно. В этом типе сред параметры материала не изменяются при изменении повернутой системы координат измерений. В этом смысле они инвариантны или скалярны.

Собственные магнитоэлектрические параметры κ и χвлияют на фазу волны. Эффект параметра хиральности заключается в расщеплении 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 принимается равным нулю, а κ-ненулевым значением, появляются другие результаты. Может возникнуть либо обратная волна, либо прямая. В качестве альтернативы могут возникать две прямые волны или две обратные волны, в зависимости от силы параметра хиральности.

В общем случае, определяющие соотношения для Би-анизотропных материалов читаются D = ϵ E + ξ H ,

• B = ζ E + μ H , }где ϵ Эпсилон и μ являются тензорами диэлектрической проницаемости и проницаемости, соответственно, тогда ξ как и ζ Дзета являются двумя магнитоэлектрическими тензорами. Если среда является реципрокной, то диэлектрическая проницаемость и проницаемость являются симметричными тензорами, и ξ = − ζ T = − i κ T , где κ каппа киральный тензор описывает киральный электромагнитный и реципрокный магнитоэлектрический отклик. Киральный тензор может быть выражен как κ = 1 3 tr ⁡ ( κ ) I + N + J , где tr ⁡ ( κ ) находится след κ каппа , I-матрица тождества, N-симметричный тензор без следа, а J-антисимметричный тензор. Такое разложение позволяет нам классифицировать реципрокный бианизотропный ответ, и мы можем выделить следующие три основных класса: (i) хиральные среды ( tr ⁡ ( κ ) ≠ 0 , N ≠ 0 , J = 0 псевдохиральные среды ( tr ⁡ ( κ ) = 0 , N ≠ 0 , J = 0 .

Chiral

Использование метаматериалов руками является потенциальным источником путаницы, поскольку в литературе по метаматериалам встречаются два противоречивых использования терминов "левша" и "правша". Первая относится к одной из двух циркулярно поляризованных волн, которые являются распространяющимися модами в хиральных средах. Второй относится к триплету электрического поля, магнитного поля и вектора Пойнтинга, которые возникают в средах с отрицательным показателем преломления, которые в большинстве случаев не являются киральными.

Как правило, хиральный и/или бианизотропный электромагнитный отклик является следствием 3D-геометрической хиральности: 3D-хиральные метаматериалы состоят из встраивания 3D-хиральных структур в среду хозяина и проявляют связанные с хиральностью поляризационные эффекты, такие как оптическая активность и круговой дихроизм. Понятие двумерной хиральности также существует и плоский объект, который считается хиральным, если он не может быть наложен на свое зеркальное изображение, если он не поднят с плоскости. Было замечено, что 2D-хиральные метаматериалы, которые являются анизотропными и потерями, проявляют направленную асимметричную передачу (отражение, поглощение) циркулярно поляризованных волн из-за кругового преобразования дихросима. с другой стороны, бианизотропная реакция может возникнуть из геометрических ахиральных структур, не обладающих ни 2D, ни 3D собственной хиральностью. Плам и его коллеги исследовали магнитоэлектрическую связь, обусловленную внешней хиральностью, где организация (ахиральные) структуры вместе с волны излучения вектор отличается от своего зеркального изображения, а также наблюдаются большие, особенности линейной оптической активностью, нелинейно-оптической активностью, зеркального оптической активности и преобразование круговой дихроизм. Рицца и соавт. предложил 1Д хиральных метаматериалов, где хиральный эффективного тензора не исчезает, если система является геометрически одномерных хиральный (зеркальное изображение всей структуры не могут быть наложены на него, используя переводы без вращения).

3D-хиральные метаматериалы строятся из хиральных материалов или резонаторов, в которых эффективный параметр хиральности κ каппа ненулевой. Свойства распространения волн в таких хиральных метаматериалах демонстрируют, что отрицательное преломление может быть реализовано в метаматериалах с сильной хиральностью и положительным ϵ r это связано с тем, что показатель преломления n нимеет различные значения для левых и правых циркулярно поляризованных волн, заданные по формуле

n = ± ϵ r μ r ± κ

Можно видеть, что отрицательный индекс будет иметь место для одной поляризации, если κ каппа > }. В этом случае не обязательно, чтобы один или оба ϵ r }были отрицательными для обратного распространения волны. отрицательный показатель преломления, обусловленный хиральностью, был впервые наблюден одновременно и независимо Plum et al. и Zhang et al. в 2009 году.

На основе ФСС

Основная статья: Перестраиваемые метаматериалы § Частотно-селективные поверхностные метаматериалы

Частотно-селективные поверхностные метаматериалы блокируют сигналы в одной полосе частот и передают их в другую полосу частот. Они стали альтернативой метаматериалам фиксированной частоты. Они допускают необязательные изменения частот в одной среде, а не ограничительные ограничения фиксированной частотной характеристики.

Другие типы

Эластичный

Эти метаматериалы используют различные параметры для достижения отрицательного показателя преломления в материалах, которые не являются электромагнитными. Кроме того, "новая конструкция упругих метаматериалов, которые могут вести себя либо как жидкости, либо как твердые тела в ограниченном диапазоне частот, может позволить новые приложения, основанные на управлении акустическими, упругими и сейсмическими волнами".]

Акустика

Основная статья: Акустические метаматериалы

Акустические метаматериалы управляют, направляют и манипулируют звуком в виде звуковых, инфразвуковых или ультразвуковых волн в газах, жидкостях и твердыхтелах . Как и в случае с электромагнитными волнами, звуковые волны могут проявлять отрицательное преломление.

Управление звуковыми волнами в основном осуществляется через объемный модуль β, массовую плотность ρ и хиральность. Объемный модуль и плотность являются аналогами диэлектрической проницаемости и диэлектрической проницаемости в электромагнитных метаматериалах. С этим связана механика распространения звуковых волн в решетчатой структуре. кроме того, материалы обладают массой и присущими им степенями жесткости. Вместе они образуют резонансную систему, и механический (звуковой) резонанс может возбуждаться соответствующими звуковыми частотами (например, звуковыми импульсами).

Структурные элементы

Структурные метаматериалы обеспечивают такие свойства, как дробимость и малый вес. Используя проекционную микро-стереолитографию, микрорешетки могут быть созданы с использованием форм, очень похожих на фермы и балки. Были созданы материалы на четыре порядка жестче обычного аэрогеля, но с той же плотностью. Такие материалы могут выдерживать нагрузку, по меньшей мере в 160 000 раз превышающую их собственный вес, за счет чрезмерного ограничения материалов.

Керамический нанотрубчатый метаматериал можно сплющить и вернуть в исходное состояние.

Нелинейный

Основная статья: Нелинейные метаматериалы

Метаматериалы могут быть изготовлены, которые включают в себя некоторую форму нелинейных сред, свойства которых изменяются с мощностью падающей волны. Нелинейные среды имеют существенное значение для нелинейной оптики. Большинство оптических материалов имеют относительно слабый отклик, что означает, что их свойства изменяются лишь на небольшую величину при больших изменениях напряженности электромагнитного поля Локальные электромагнитные поля включений в нелинейных метаматериалах могут быть значительно больше среднего значения поля. Кроме того, замечательные нелинейные эффекты были предсказаны и наблюдались, если эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала очень мала (Эпсилон-околонулевые среды). кроме того, экзотические свойства, такие как отрицательный показатель преломления, создают возможности для адаптации условий фазового согласования, которые должны выполняться в любой нелинейно-оптической структуре.

Метаматериалы холла

Основная статья: Эффект Холла

В 2009 году Марк Бриан и Грэм Милтон математически доказали, что в принципе можно инвертировать знак композита на основе 3 материалов в 3D, изготовленного только из материалов с положительным или отрицательным знаком коэффициента Холла. Позже в 2015 году Muamer Kadic et al.показали, что простая перфорация изотропного материала может привести к изменению его знака коэффициента Холла. Это теоретическое утверждение было, наконец, экспериментально продемонстрировано Кристианом Керном и соавторами

В 2015 году это также было продемонстрировано Кристианом Керном 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.

Частотные полосы

Terahertz

Основная статья: Терагерцовый метаматериал

Терагерцовые метаматериалы взаимодействуют на терагерцовых частотах, обычно определяемых как 0,1-10 ТГц. Терагерцовое излучение лежит на дальнем конце инфракрасного диапазона, сразу после окончания микроволнового диапазона. Это соответствует миллиметровому и субмиллиметровому диапазонам длин волн между 3 мм ( полоса КВЧ) и 0,03 мм (длинноволновый край дальнего инфракрасного света).

Фотон

Основная статья: Фотонные метаматериалы

Фотонный метаматериал взаимодействует с оптическими частотами (средняя инфракраснаяобласть ). Субволновой период отличает их от фотонных структур с запрещенной зоной.

Настраиваемый

Основная статья: Перестраиваемые метаматериалы

Перестраиваемые метаматериалы позволяют произвольно регулировать частотные изменения показателя преломления. Перестраиваемый метаматериал расширяется за пределы ограничений полосы пропускания в левосторонних материалах, создавая различные типы метаматериалов.

Плазмонный

Основная статья: Плазмонные метаматериалы

Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны, которые образуются при взаимодействии света с металлами -диэлектриками. При определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами для создания самоподдерживающихся, распространяющихся электромагнитных волн или поверхностных волн, известных как поверхностные плазмонные поляритоны. Объемные колебания плазмы делают возможным эффект отрицательной массы (плотности).

Приложения

Метаматериалы находятся в стадии рассмотрения для многих применений.[70] антенны из метаматериалов имеются в продаже.

В 2007 году один исследователь заявил, что для реализации метаматериальных приложений необходимо уменьшить потери энергии, расширить материалы до трехмерных изотропных материалов и индустриализировать технологии производства.

Антенны

Основная статья: Антенны из метаматериалов

Метаматериальные антенны - это класс антенн, которые используют метаматериалы для повышения производительности. демонстрации показали, что метаматериалы могут увеличить излучаемую мощность антенны. материалы, которые могут достигать отрицательной проницаемости, допускают такие свойства, как малый размер антенны, высокая направленность и перестраиваемая частота.

Поглотитель

Основная статья: Поглотитель метаматериалов

Поглотитель метаматериалов манипулирует компонентами потерь диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериалов, чтобы поглощать большое количество электромагнитного излучения. Это полезная функция для фотоприемника и солнечных фотоэлектрических приложений. компоненты потерь также актуальны в приложениях отрицательного показателя преломления (фотонные метаматериалы, антенные системы) или трансформационной оптики (маскировка метаматериалов, небесная механика), но часто не используются в этих приложениях.

Суперлинзы

Основная статья: Superlens

Superlens-это двух - или трехмерное устройство, которое использует метаматериалы, обычно с отрицательными свойствами преломления, для достижения разрешения за пределами дифракционного предела (в идеале, бесконечное разрешение). Такое поведение обусловлено способностью двойн-отрицательных материалов давать отрицательную фазовую скорость. Дифракционный предел присущ обычным оптическим приборам или линзам.

Маскирующие устройства

Основная статья: Маскировка метаматериалов

Метаматериалы являются потенциальной основой для практического маскирующего устройства. Доказательство принципа было продемонстрировано 19 октября 2006 года. Ни о каких практических плащах публично не известно.

RCS (Radar Cross Section) редуцирующие метаматериалы

Обычно RCS был уменьшен либо за счет радиопоглощающего материала (RAM), либо за счет целенаправленного формирования целей таким образом, чтобы рассеянная энергия могла быть перенаправлена в сторону от источника. В то время как тараны обладают узкой полосой частотной функциональности, формирование цели ограничивает аэродинамические характеристики цели. В последнее время синтезируются метаматериалы или метаповерхности, которые могут перенаправлять рассеянную энергию от источника, используя любую теорию массивов или обобщенный закон Снелла. это привело к аэродинамически благоприятным формам для целей с уменьшенным RCS.

Сейсмическая защита

Основная статья: Сейсмические метаматериалы

Сейсмические метаматериалы противодействуют неблагоприятному воздействию сейсмических волн на искусственные сооружения.

Фильтрация звука

Метаматериалы, текстурированные наноразмерными морщинами, могут управлять звуковыми или световыми сигналами, такими как изменение цвета материала или улучшение разрешения ультразвука. Использование включает в себя неразрушающий контроль материалов, медицинскую диагностику и подавление звука. Материалы могут быть изготовлены с помощью высокоточного многослойного процесса осаждения. Толщину каждого слоя можно контролировать в пределах доли длины волны. Затем материал сжимается, создавая точные морщины, расстояние между которыми может вызвать рассеяние выбранных частот.

Теоретические модели

Все материалы состоят из атомов, которые являются диполями. Эти диполи изменяют скорость света на коэффициент n (показатель преломления). В разрезном кольцевом резонаторе кольцевые и проволочные блоки действуют как атомные диполи: провод действует как сегнетоэлектрический атом, в то время как кольцо действует как индуктор L, а открытая секция 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 отрицателен. (Линза не совсем плоская, так как емкость структуры накладывает наклон для электрической индукции.)

Несколько (математических) материальных моделей частотной характеристики в Днгс. Одной из них является модель Лоренца, которая описывает движение электрона в терминах управляемого затухающего гармонического осциллятора. Релаксационная модель Дебая применяется, когда компонент ускорения математической модели Лоренца мал по сравнению с другими компонентами уравнения. Модель Друде применяется, когда составляющая восстанавливающей силы пренебрежимо мала, а коэффициент связи обычно равен частоте плазмы. Другие компонентные различия требуют использования одной из этих моделей, в зависимости от ее полярности или назначения.

Трехмерные композиты из металлических/неметаллических включений, периодически/случайным образом внедренные в матрицу с низкой диэлектрической проницаемостью, обычно моделируются аналитическими методами, включая формулы смешения и методы, основанные на матрицах рассеяния. Частица моделируется либо электрическим диполем, параллельным электрическому полю, либо парой скрещенных электрических и магнитных диполей, параллельных соответственно электрическому и магнитному полям приложенной волны. Эти диполи являются ведущими членами мультипольного ряда. Они являются единственными существующими для однородной сферы, поляризуемость которой может быть легко получен из коэффициентов рассеяния Ми. В общем случае эта процедура известна как "точечно-дипольное приближение", которое является хорошим приближением для метаматериалов, состоящих из композитов электрически малых сфер. К достоинствам этих методов можно отнести низкую стоимость расчета и математическую простоту.

В основе теории метаматериалов лежат три концепции - отрицательно-индексная среда, неотражающий Кристалл и сверхлинза. Другие основные методы анализа трехпериодических электромагнитных сред можно найти в вычислении структуры фотонных полос

Институциональные сети

Мури

Междисциплинарная Университетская исследовательская инициатива (Мури) охватывает десятки университетов и несколько правительственных организаций. Участвующие университеты включают 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

Мури поддерживает исследования, которые пересекают более чем одну традиционную научную и инженерную дисциплину, чтобы ускорить как исследования, так и перевод в прикладные области. По состоянию на 2009 год ожидается, что 69 академических институтов примут участие в 41 исследовательской работе.

Метаморфоза

Виртуальный институт искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов "Metamorphose VI AISBL" - это международная ассоциация по продвижению искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов. Она организует научные конференции, поддерживает специализированные журналы, создает и управляет исследовательскими программами, предоставляет учебные программы (включая докторские и учебные программы для промышленных партнеров), а также передачу технологий европейской промышленности.]

См. также

• Метаповерхность
• Искусственные диэлектрики —макроскопические аналоги природных диэлектриков, появившиеся в связи с радиолокационными микроволновыми технологиями, разработанными между 1940-ми и 1970-ми годами.
• METATOY (Metamaterial for rays)—состоит из сверхволновых структур, таких как небольшие массивы призм и линз и может работать в широком диапазоне частот
• Магнитоника
• Метаматериалы (журнал)
• Руководство По Метаматериалам
• Метаматериалы: физико-технические исследования