Wolna encyklopedia

Metamateriał - materiał którego własności zależą od jego struktury w skali większej niż cząsteczkowa, a nie jedynie od struktury cząsteczkowej. Terminem tym w szczególności określa się materiały o własnościach nie występujących w naturalnie powstających materiałach, np. tzw materiały lewoskrętne. Mają one szczególne znaczenie w optyce i fotonice, gdzie ich własności umożliwiają wytwarzanie nieklasycznych typów soczewek, anten, modulatorów i filtrów.

Aby wpływać na falę elektromagnetyczną, metamateriał musi zawierać struktury o wielkości porównywalnej z długością tej fali. Aby był dla tej fali jednorodny i wpływ na falę można było opisać za pomocą współczynnika załamania, struktury te muszą być znacznie mniejsze od długości fali. Dla światła widzialnego (o długościach fali rzędu 400-700 nm) używa się metamateriałów o strukturach wewnętrznych rozmiaru rzędu 250 nm. Dla mikrofal używa się struktur o rozmiarach centymetrów. Przykładem metamateriału dla światła widzialnego jest opal, w którym małe kulki krystobalitu wywołują charakterystyczną grę barw. Metamateriały dla mikrofal są wytwarzane sztucznie z drucianych pętli i kratownic o odpowiedniej indukcyjności i pojemności elektrycznej. Materiały w których warstwy o różnych współczynnikach załamania są rozmieszczone okresowo nazywa się kryształami fotonicznymi.

Spis treści

Wytwarzanie i zastosowanie

Unikalne własności metamateriałów zostały zweryfikowane przez Caloza (2001).[1] Pierwsze lewoskrętne materiały były jednak niepraktyczne z powodu dużego rozpraszania i wpływu na bardzo wąski zakres częstotliwości.[2][3]

W 2004 roku zademonstrowano pierwsze supersoczewki dla mikrofal, zbudowane z materiałów o ujemnym współczynniku załamania. Pozwalały one uzyskać rozdzielczość trzykrotnie mniejszą od długości fali.[4]. W kwietniu 2005 przy pomocy innej metody (opartej o powierzchniowe plazmony) skonstruowano analogiczne supersoczewki dla światła widzialnego.[5]

W 2006 roku opisano jak za pomocą metamateriałów można uzyskać optyczną niewidzialność. Przy pomocy odpowiednich metamateriałów fala elektromagnetyczna może zostać zakrzywiana tak żeby ominąć otaczany obiekt i wrócić na dotychczasowy tor.[6] Układ taki zrealizowano dla mikrofal.[7] W 2007 roku zaprezentowano materiał o ujemnym współczynniku załamania dla światła widzialnego.[8]

Ujemny współczynnik załamania

Porównanie załamania padającego promienia (niebieski) w zwykłym materiale (czerwony) i w lewoskrętnym metamateriale (zielony).

Najsłynniejszą klasą metamateriałów są materiały o ujemnym współczynniku załamania. Praktycznie wszystkie przezroczyste materiały mają dodatnie wartości zarówno przenikalności elektrycznej ε jak i magnetycznej μ. Wiele metali (np. srebro i złoto) ma ujemną wartość ε dla światła widzialnego. Materiały dla których jedna z wartości ε lub μ jest ujemna są nieprzejrzyste i mają metaliczny połysk (tworzony przez powierzchniowe plazmony).

Choć wartości ε i μ opisują w pełni optyczne właściwości materiału, w praktyce używa się tylko jednego parametru: współczynnika załamania N=\pm\sqrt{\varepsilon\mu}. Ponieważ ε i μ są zwykle dodatnie, przyjmuje się że N również jest dodatnie.

Specjalnie zaprojektowane metamateriały mogą mieć obie wartości ε i μ ujemne. W takiej sytuacji wartość N uznaje się za ujemną. Rosyjski fizyk Wiktor Veselago pokazał że takie materiały są przejrzyste. Mają one specyficzne własności:

Modele teoretyczne

Możliwość istnienia materiałów lewoskrętnych przewidział jako pierwszy Veselago w 1968 roku [9]. W praktyce udało się je wytworzyć dopiero na przełomie XX i XXI wieku. John Pendry pokazał metodę uzyskiwania ujemnej przenikalności elektrycznej przez ułożenie przewodów wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali i ujemnej przenikalności magnetycznej przez ułożenie przewodów w otwarte pierścienie (w kształcie litery 'C') prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Struktura złożona z okresowo ułożonych przewodów i pierścieni pozwoliła uzyskać ujemny współczynnik załamania dla mikrofal.

Działanie tej struktury można opisać przez następującą analogię: zwykłe materiały są zrobione z atomów będących dipolami. Pochłaniając i emitując fale elektromagnetyczną sprawiają że jej faktyczna prędkość w ośrodku zmienia się o czynnik n (współczynnik załamania). Pierścienie i przewody odgrywają podobną rolę: przewody działają jak ferroelektryczne atomy, pierścienie jak cewki a przerwy w pierścieniach jak kondensatory. Każdy pierścień działa jak obwód rezonansowy, generujący pole magnetyczne prostopadłe do pola magnetycznego fali. Efektem jest ujemna przenikalność magnetyczna i w efekcie ujemny współczynnik załamania.

Przypisy

  1. ↑ C. Caloz, C.-C. Chang, and T. Itoh, "Full-wave verification of the fundamental properties of left-handed materials in waveguide configurations," J. Appl. Phys. 2001, 90(11).
  2. ↑ G.V. Eleftheriades, A.K. Iyer and P.C. Kremer, “Planar negative refractive index media using periodically L-C loaded transmission lines,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 50, no. 12, pp. 2702-2712, 2002
  3. ↑ C. Caloz and T. Itoh, "Application of the transmission line theory of left-handed (LH) materials to the realization of a microstrip 'LH line'," IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2002, 2, 412-415 (doi 10.1109/APS.2002.1016111).
  4. ↑ A. Grbic and G.V. Eleftheriades, “Overcoming the diffraction limit with a planar left-handed transmission-line lens,” Physical Review Letters, vol. 92, no. 11, pp. 117403 , March 19, 2004
  5. ↑ http://www.eurekalert.org/pub_releases/2005-04/uoc--nso041805.php
  6. ↑ http://www.cnn.com/2006/TECH/05/25/invisibility.cloak.ap/index.html
  7. ↑ http://www.pratt.duke.edu/news/releases/index.php?story=276
  8. ↑ http://www.eurekalert.org/pub_releases/2007-01/dl-mft010407.php?light
  9. ↑ V.G. Veselago, "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ", Sov. Phys. Uspekhi, 1968, 10(4), 509-514 (doi 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699)

Linki zewnętrzne

Źródło: „haslo,Metamateria%C5%82”