Metamateriał

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
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, na przykład 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[edytuj | edytuj kod]

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] 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.[9]

Ujemny współczynnik załamania[edytuj | edytuj kod]

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 Wiesiełago pokazał, że takie materiały są przejrzyste. Mają one specyficzne własności:

Modele teoretyczne[edytuj | edytuj kod]

Możliwość istnienia materiałów lewoskrętnych przewidział jako pierwszy Wiesiełago w 1968 roku [10]. 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.

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. New superlens opens door to nanoscale optical imaging, high-density optoelectronics
  6. [1][martwy link]
  7. News Releases, Feature Stories and Profiles about Duke University's Pratt School of Engineering | Engineering at Duke University, Pratt School
  8. Metamaterials found to work for visible light
  9. CBC News - Technology & Science - Invisibility 'cloak' moves closer to reality
  10. 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[edytuj | edytuj kod]