Метаматериалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра ПП и МЭ

Реферат

по предмету: Элементы и приборы наноэлектроники

на тему: Метаматериалы

Выполнил:

Котовщиков И.О.

Новосибирск 2015

Введение

Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления.

Световые волны в них должны двигаться против направления распространения луча и вообще вести себя удивительным образом, линзы же из этих материалов -- обладать волшебными свойствами и непревзойденными характеристиками.

Однако у всех известных веществ показатель преломления положителен: за нескольких лет интенсивных поисков Веселаго не нашел ни одного материала с подходящими электромагнитными свойствами, и его гипотеза была забыта.

О ней вспомнили лишь в начале XXI века.

Благодаря последним достижениям в области материаловедения идея Веселаго была возрождена.

Электромагнитные свойства веществ определяются особенностями образующих их атомов и молекул, обладающих довольно узким диапазоном характеристик.

Поэтому свойства миллионов известных нам материалов не так уж разнообразны. Однако в середине 1990-х гг. ученые из Центра технологии материалов им. Маркони в Англии занялись созданием метаматериалов, которые состоят из макроскопических элементов и рассеивают электромагнитные волны совсем не так, как любые известные вещества. В 2000 г.

Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления.

Поведение света в нем оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Экспериментаторы уже занимаются разработкой технологий, в которых используются удивительные свойства метаматериалов, и создают суперлинзы, позволяющие получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света.

С их помощью можно было бы делать микросхемы с наноскопическими элементами и записывать на оптические диски огромные объемы информации.

1. Метаматериалы

Метаматериалы - это композитные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.

Одним из наиболее горячо обсуждаемых в последнее время типов метаматериалов являются объекты с отрицательным показателем преломления.

1.1 Отрицательное преломление

Чтобы понять, как возникает отрицательное преломление, рассмотрим механизм взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Проходящая через него электромагнитная волна (например, луч света) заставляет двигаться электроны атомов или молекул. На это расходуется часть энергии волны, что влияет на ее свойства и характер распространения. Для получения требуемых электромагнитных характеристик исследователи подбирают химический состав материала. Но как показывает пример метаматериалов, химия -- не единственный путь получения интересных свойств вещества. Электромагнитный отклик материала можно «конструировать», создавая крошечные макроскопические структуры. Дело в том, что обычно длина электромагнитной волны на несколько порядков больше размеров атомов или молекул. Волна «видит» не отдельную молекулу или атом, а коллективную реакцию миллионов частиц. Это справедливо и для метаматериалов, элементы, которых тоже значительно меньше длины волны.

Поле электромагнитных волн, что следует из их названия, имеет как электрическую, так и магнитную составляющую. Электроны в материале движутся вперед и назад под действием электрического поля и по кругу под действием магнитного. Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: диэлектрической проницаемостью е и магнитной проницаемостью м. Первая показывает степень реакции электронов на электрическое поле, вторая -- степень реакции на магнитное. У подавляющего большинства материалов е и м больше нуля.

Оптические свойства вещества характеризуются показателем преломления n, который связан с е и м простым соотношением:

n = ± v(е·м)

Для всех известных материалов перед квадратным корнем должен стоять знак «+», и поэтому их показатель преломления положителен. Однако в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с отрицательными е и м показатель преломления n должен быть меньше нуля.

Рис. 1.

Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Микроволны с частотами около 10 ГГц ведут себя в таком кубе необычно, потому что для них куб имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки -- 2,68 мм, или около 0,1 дюйма.

1.2 Создание метаматериалов

Отрицательные е или м получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно.

Если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля.

Ключ к такого рода отрицательной реакции -- резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном разрезном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи.

Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной е, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной м. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.

Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную е, а кольца с разрезами -- отрицательную м. В результате должен был получиться отрицательный показатель преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала. Предположение Веселаго стало реальностью: материал с отрицательным показателем преломления был, наконец, получен.

Рис. 1. Конструкционные особенности метаматериалов

2. Общие свойства метаматериалов с отрицательным показателем преломления

Рис. 2. Необычные свойства материалов с отрицательным коэффициентом преломления.

2.1 Законы геометрической оптики

Чаще всего о коэффициенте преломления материала вспоминают тогда, когда рассматривают эффект преломлении света на границе раздела двух оптических сред. Данное явление описывается законом Снеллиуса:

n1·sina = n2·sinв,

где а - угол падения света, пришедшего из среды с показателем преломления n₁, а в - угол преломления света в среде с показателем преломления n₂. метаматериал преломление оптика композитный

Для всех сред, которые могут быть найдены в природе, лучи падающего и преломленного света находятся по разные стороны от нормали, восстановленной к границе раздела сред в точке преломления (рис.3а). Однако если формально подставить в закон Снеллиуса n2<0, лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (рис. 3b).

Из геометрических построений следует, что лучи, исходящие от точечного источника, после прохождения пластины соберутся вновь в одну точку - в этом смысле пластина из левого материала подобна линзе (рис. 2c) . Тем не менее, стоит заметить, что такая пластина существенно отличается от линзы хотя бы тем, что параллельный пучок лучей после прохождения через неё так и останется параллельным. Так же, фокусироваться будут только лучи, идущие от источников, находящихся на сравнительно небольшом расстоянии. Так, например, в случае идеальной левой среды с е=-1 и м=-1 пластина создаст трехмерное действительное изображение всех точек предмета, расположенных на расстоянии не более чем толщина пластины.

Рис. 3. а) Обычное преломление. b) Преломление в материале с отрицательным показателем преломления. с) Пластина из материала с отрицательным показателем преломления.

2.2 Суперлинзы

Веселаго использовал построение хода лучей, чтобы предсказать брус из материала с отрицательным показателем преломления n = -1 должен действовать как линза с уникальными свойствами. Большинство из нас знакомо с линзами из материалов с положительным преломлением -- в камерах, лупах, микроскопах и телескопах. Они имеют фокусное расстояние, и место, где формируется изображение, зависит от сочетания фокусного расстояния и расстояния между объектом и линзой. Изображения обычно отличаются по размеру от объекта, и линзы работают лучше всего для объектов, лежащих на оси, проходящей через линзу. Линза Веселаго работает совершенно иначе, чем обычные: ее работа намного проще, она действует только на объекты, расположенные рядом с ней, и переносит все оптическое поле с одной стороны линзы на другую.

Рис. 4. Эффект суперлинзы (линзы Веселаго).

Линза Веселаго столь необычна, что пришлось задаться вопросом: насколько совершенно она может работать? И в частности, каково может быть предельное разрешение линзы Веселаго? Оптические элементы с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом -- они могут разрешать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта. Дифракция накладывает окончательный предел на все системы создания изображения, наподобие наименьшего объекта, который можно рассмотреть в микроскоп, или наименьшего расстояния между двумя звездами, которое может разрешить телескоп. Дифракция определяет также наименьшую деталь, которую можно создать в процессе оптической литографии при производстве микрочипов (микросхем).

Подобным же образом дифракция ограничивает количество информации, которую можно сохранить или прочитать на оптическом цифровом видеодиске (DVD). Способ обойти дифракционный предел мог бы решительным образом изменить технологии, позволив оптической литографии проникнуть в диапазон наноразмеров и, возможно, в сотни раз увеличить количество данных, сохраняемых на оптических дисках.

2.3 Материалы-невидимки

Идея материалов-невидимок заключается в том, что маскируемый объект помещается в некую полость внутри маскировочной оболочки, и световые волны (или любая другая разновидность электромагнитного излучения), ударяясь об эту оболочку, вместо того чтобы попадать далее в спрятанный внутри объект, плавно огибают его и, заново рекомбинируясь, выходят наружу как ни в чем не бывало. Американский физик Дэвид Смит из Университета Дьюка в этой связи приводит условную аналогию с речным потоком и камнем, помещенным на его пути: «Водные струи, сталкиваясь с камнем, просто растекаются вокруг него и соединяются вместе уже за ним». Но, в отличие от камня и речного потока, человек, наблюдающий за столкновением световых волн с оболочкой-невидимкой, прекрасно видит все прочие предметы, находящиеся непосредственно за скрытым внутри нее объектом, то есть, как бы смотрит сквозь объект, никак его не обнаруживая.

Используя уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные явления в среде, Пендри и его коллеги сделали необходимые теоретические расчеты физических характеристик маскировочного материала, способного соответствующим образом изменять направление электромагнитных волн. В частности, ученые пришли к выводу, что этот материал должен быть сконструирован так, чтобы скорость света на некотором удалении от полости была относительно медленной и возрастала при приближении к ней.

Исходя из этого и ряда других полученных расчетных результатов получили, что основой маскировочных покрытий будущего, скорее всего, станут метаматериалы. Возможность метаматериалов искусственно варьировать показатель преломления в различных зонах может обеспечить нужный по теории разброс скорости света внутри маскировочной оболочки.

Вызывает большие сомнения возможность создания абсолютно невидимого в оптическом диапазоне покрытия, поскольку согласно оптической теории полностью избавиться от рассеивания или поглощения световых волн нельзя. Тем не менее, ученые полагают, что подобные оптические дефекты могут быть сведены к минимуму: «Даже в том случае, если разработанный нами метаматериал будет создавать на пути света легкую дымку, это все равно будет означать наш большой успех». Другая очевидная проблема будущих покрытий связана с тем, что замаскированные под ними объекты, скорее всего полностью потеряют связь с внешним миром. Скажем, если этим объектом будет человек, он не только окажется невидимым для внешних наблюдателей, но и сам «лишится зрения». Кроме того, материалы-невидимки как бы по определению должны накладывать жесткие ограничения и на подвижность спрятанных внутри объектов. По словам Дэвида Смита, «оболочка из метаматериала не может менять своей формы, подстраиваясь под объект, и если вы, например, попытаетесь подвигать руками или изменить свою позу, то рискуете быстро потерять всю маскировку».

Рис. 5.

Условная схема прохождения световых волн через сферическую "маскировочную оболочку": в центре покрытия-невидимки имеется полость (на рис. - оранжевый круг), внутри которой спрятан маскируемый объект.

Вывод

С точки зрения физики метаматериалы с отрицательным показателем преломления являются антиподами обычных материалов. В случае отрицательного показателя преломления происходит обращение фазовой скорости электромагнитного излучения; допплеровский сдвиг происходит в противоположную сторону; черенковское излучение от движущейся заряженной частицы происходит не вперед, а назад; собирающие линзы становятся рассеивающими и наоборот. И все это - лишь небольшая часть тех удивительных явлений, которые возможны для метаматериалов с отрицательным показателем преломления.

Демонстрация работы суперлинзы -- лишь последнее из многих предсказаний свойств материалов с отрицательным преломлением, которые предстоит реализовать, а это признак быстрого прогресса, происходящего в этой все расширяющейся области. Возможность отрицательного преломления заставила физиков пересмотреть практически всю область электромагнетизма. И когда этот круг идей будет полностью понят, основные оптические явления, такие как преломление и дифракционный предел разрешения, придется пересмотреть с учетом новых неожиданных поворотов, связанных с материалами, дающими отрицательное преломление.

Практическое использование таких материалов, в первую очередь, связано с возможностью создания на их основе терагерцовой оптики, что, в свою очередь, приведет к развитию метеорологии и океанографии, появлению радаров с новыми свойствами и средств всепогодной навигации, устройств дистанционной диагностики качества деталей и систем безопасности, позволяющих обнаружить под одеждой оружие, а также уникальных медицинских приборов.

Список литературы

1. Веселаго В.Г. «Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления» УФН, № 3, (2003).

2. «Reversing Light with Negative Refraction.» John B. Pendry and David R. Smith // Physics Today. Vol. 57. No. 6. P. 37-43. June 2004.

3. «Negative-Refraction Metamaterials: Fundamental Principles and Application.» G. V. Eleftheriades and K. Balmain. Wiley-IEEE Press, 2005.

4. D R. Smith, W.J. Padilla, D C. Vier, S C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.

5. V.G.Veselago "Electrodynamics of media with simultaneously negative electric and magnetic permettivities".

6. Дж. Пендри, Д. Смит. «В поисках суперлинзы», «В мире науки» №11, 2006.

Размещено на Allbest.ru