Metamateriał

Metamateriał w postaci sieci z otworami o wielkości kilkuset nanometrów pozwala załamywać i odwracać kierunek światła widzialnego w dowolny zaplanowany przez konstruktorów sposób.

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.

Wytwarzanie i zastosowanie

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

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

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. Układ taki zrealizowano dla mikrofal. W 2007 roku zaprezentowano materiał o ujemnym współczynniku załamania dla światła widzialnego. Do 2008 roku wszystkie tego typu struktury działały jedynie dla jednej, wybranej częstotliwości fal elektromagentycznych. W 2009 roku zaprezentowano pierwszą strukturę, która umożliwia ukrycie obiektu przed szerokim zakresem częstotliwości.

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 $\epsilon$ jak i magnetycznej $\mu$. Wiele metali (np. srebro i złoto) ma ujemną wartość $\epsilon$ dla światła widzialnego. Materiały dla których jedna z wartości $\epsilon$ lub $\mu$ jest ujemna są nieprzejrzyste i mają metaliczny połysk (tworzony przez powierzchniowe plazmony).

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

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

• Załamują światło zgodnie z prawem Snelliusa ($N_1\sin\theta_1=N_2\sin\theta_2$) dla negatywnej wartości refrakcji, czyli kąt załamania ma ujemną wartość (patrz diagram).
• Efekt Dopplera jest odwrócony (światło ze źródła poruszającego się w kierunku obserwatora ma obniżoną częstotliwość)
• Promieniowanie Czerenkowa jest wysyłane w przeciwną stronę niż poruszający się obiekt.
• Prędkość grupowa fali ma zwrot przeciwny do prędkości fazowej.
• Światło ma tym większą długość fali im wyższą częstotliwość (odwrotnie niż w zwykłych materiałach).

Modele teoretyczne

Możliwość istnienia materiałów lewoskrętnych przewidział jako pierwszy Veselago w 1968 roku . 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 falę 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.

Linki zewnętrzne

• News from "Metamorphose" EU NoE on Metamaterials
• Design of invisible "missile". A new cloaking device — NIT Japan
• Journal of Optics A, February 2005 Special issue on Metamaterials
• Experimental Verification of a Negative Index of Refraction
• How To Make an Object Invisible
• Metamaterials hold key to cloak of invisibility