XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Вступление. Обзор темы.

Метаматериал с отрицательным показателем преломления (МОПП) — это метаматериал, показатель преломления которого для электромагнитной волны имеет отрицательное значение в некотором диапазоне частот.

МОПП строятся из периодических базовых частей, называемых элементарными ячейками, размер которых обычно значительно меньше длины волны внешнего электромагнитного излучения. Элементарные ячейки первых экспериментально исследованных МОПП были построены из материала печатной платы, или, другими словами, из проводов и диэлектрика. В общем случае эти искусственно созданные ячейки уложены в стопку или плоскость и сконфигурированы по определенной повторяющейся схеме для составления индивидуального МОПП. Например, элементарные ячейки первых МОПП были уложены горизонтально и вертикально, в результате чего получилась повторяющаяся схема.

Характеристики отклика каждой ячейки определяются заранее, до начала изготовления, и основываются на предполагаемом отклике всего вновь изготовленного материала. Другими словами, каждая ячейка индивидуально настраивается на определенный отклик, основанный на желаемой производительности МОПП. Суммарный отклик в основном определяется геометрией каждой ячейки и существенно отличается от отклика составляющих ее материалов. Другими словами, отклик МОПП — это отклик нового материала, не похожего на провода, металлы и диэлектрики, из которых он изготовлен.

Метаматериалы с отрицательным значением показателя преломления часто обозначаются одной из нескольких терминологий: левосторонние среды или левосторонние материалы, среды с обратной волной, среды с отрицательным показателем преломления, двойные отрицательные метаматериалы и другие подобные названия.

рис.1 Пример структуры элементарной ячейки МОПП

Принцип работы. Объяснение того, как работают метаматериалы с отрицательными показателями преломления

В предположении, что материал хорошо описывается реальной диэлектрической и магнитной проницаемостью, связь между диэлектрической проницаемостью ε, магнитной проницаемостью μ и показателем преломления n имеет следующий вид .

Все известные неметаматериальные прозрачные материалы (стекло, вода,...) обладают положительными диэлектрической и магнитной проницаемостью. По условию для n используется положительный квадратный корень. Однако некоторые разработанные метаматериалы имеют отрицательные значения ε и μ. Поскольку их произведение положительно, n является вещественным. В таких условиях необходимо брать отрицательный квадратный корень из n. Когда диэлектрическая и магнитная проницаемости положительны (отрицательны), волны распространяются в прямом (обратном) направлении. Электромагнитные волны не могут распространяться в материалах с ε и μ противоположного знака, так как показатель преломления становится мнимым. Такие материалы непрозрачны для электромагнитного излучения, и в качестве примера можно привести плазмонные материалы, например металлы (золото, серебро, ...).

Приведенные выше рассуждения являются упрощенными для реальных материалов, которые должны обладать комплексными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей. Для того чтобы пассивный материал демонстрировал отрицательное преломление, действительные части ε и μ не обязательно должны быть отрицательными. Действительно, отрицательный показатель преломления для эллиптически-поляризованных волн может возникать и из-за хиральности.

Метаматериалы с отрицательным n обладают множеством интересных свойств:

• Закон Снеллиуса ( ) по-прежнему описывает преломление, но поскольку n2 отрицательно, то на границе раздела материалов с положительным и отрицательным показателями падающий и преломленный лучи оказываются по одну сторону от нормали к поверхности.

• Черенковское излучение направлено в другую сторону.

• Усредненный по времени вектор Пойнтинга антипараллелен фазовой скорости. Однако для распространения волн (энергии) необходимо, чтобы в паре с -µ стояло -ε, чтобы выполнялась зависимость волнового числа от параметров материала.

Типы метаматериалов. Определение различных типов метаматериалов

Метаматериалы с отрицательным показателем преломления (Метаматериалы с отрицательным показателем преломления) характеризуются отрицательным показателем преломления. Другие термины для обозначения МОПП включают "левосторонние среды", "среды с отрицательным показателем преломления" и "среды с обратной волной". МОПП, в которых отрицательный показатель преломления возникает одновременно из-за отрицательной диэлектрической проницаемости и отрицательной магнитной проницаемости, также известны как двойные отрицательные метаматериалы или двойные отрицательные материалы (ДОС).

Одноотрицательные (ООС) метаматериалы имеют либо отрицательную относительную диэлектрическую проницаемость (εr), либо отрицательную магнитную проницаемость (µr), но не обе. Они работают как метаматериалы в сочетании с другим, дополнительным ООС, совместно действуя как ДОС.

Эпсилон-отрицательные среды (ЭОС) демонстрируют отрицательный ε при положительном µ. Многие плазмонные среды обладают такой характеристикой. Например, благородные металлы, такие как золото или серебро, являются ЭОС в инфракрасной и видимой областях спектра.

Мю-отрицательные среды (МОС) демонстрируют положительный ε и отрицательный µ. Этим свойством обладают гиротропные или гиромагнитные материалы. Гиротропный материал — это материал, который изменяется под действием квазистатического магнитного поля, что позволяет достичь магнитооптического эффекта. Магнитооптический эффект — это явление, при котором электромагнитная волна распространяется через такую среду. В таком материале левая и правая эллиптические поляризации могут распространяться с разными скоростями. При прохождении света через слой магнитооптического материала возникает так называемый эффект Фарадея: плоскость поляризации может поворачиваться, образуя ротатор Фарадея. Результат такого отражения известен как магнитооптический эффект Керра (не путать с нелинейным эффектом Керра). Два гиротропных материала с обратными направлениями вращения двух основных поляризаций называются оптическими изомерами.

Соединение пластины из материала ЭОС и пластины из материала МОС привело к появлению таких свойств, как резонанс, аномальное туннелирование, прозрачность и нулевое отражение. Как и материалы с отрицательным показателем преломления, ООС обладают врожденной дисперсией, поэтому их ε, µ и показатель преломления n являются функцией частоты.

Проблемы и ограничения. Обсуждение текущих проблем и ограничений в разработке метаматериалов с отрицательными показателями преломления

Разработка метаматериалов с отрицательными показателями преломления сталкивается с несколькими текущими проблемами и ограничениями:

• Большие потери: Метаматериалы с отрицательными показателями преломления обычно характеризуются высокими потерями энергии. Это связано с наличием диссипативных процессов, таких как поглощение и рассеяние электромагнитной энергии, которые могут значительно снизить эффективность таких метаматериалов.

• Сложность изготовления: Процесс изготовления метаматериалов с отрицательными показателями преломления обычно требует современных технологий нано- и микрофабрикации. Создание требуемых структур и их точное контролирование являются сложными и дорогостоящими задачами.

• Ограниченный диапазон частот: Метаматериалы с отрицательными показателями преломления обычно работают только в ограниченном диапазоне частот. Их функциональность и производительность могут сильно снижаться за пределами этого диапазона.

• Угловая зависимость: Некоторые метаматериалы с отрицательными показателями преломления могут проявлять ангулярную зависимость, то есть их оптические свойства могут меняться при изменении угла падения света или излучения. Это может ограничивать их использование в определенных приложениях, где требуется стабильность характеристик.

• Размеры и формы: Ограничения на размеры и формы метаматериалов также могут быть фактором, затрудняющим их разработку и использование. Они могут быть ограничены в определенных габаритных размерах или иметь сложные требования к форме и структуре для обеспечения желаемого отрицательного показателя преломления.

Заключения. Перспективы будущих разработок в области метаматериалов с отрицательными показателями преломления

Метаматериалы с отрицательным показателем преломления имеют ряд потенциальных сфер применения:

•Оптические устройства: Метаматериалы с отрицательным показателем преломления могут использоваться для создания новых оптических устройств, таких как объективы субволновой оптики, суперлинзы и ультратонкие дифракционные элементы. Эти устройства могут быть использованы для улучшения разрешения изображений, создания сенсоров высокой чувствительности и разработки оптических компьютеров.

• Микроволновая и радиочастотная техника: Метаматериалы с отрицательным показателем преломления могут применяться для разработки компактных антенн с улучшенной директивностью и увеличенной пропускной способностью. Такие антенны могут использоваться в радиосвязи, радиолокации и беспроводных системах передачи данных.

• Наноэлектроника: Метаматериалы с отрицательным показателем преломления могут использоваться в наноэлектронике для создания новых компонентов и устройств, таких как наноантенны, наносветоводы и нанорезонаторы. Эти устройства могут быть использованы для создания более эффективных и миниатюрных электронных систем.

• Энергетика: Метаматериалы с отрицательным показателем преломления могут применяться в солнечных элементах для повышения эффективности сбора и концентрации солнечной энергии. Они также могут использоваться в разработке новых материалов для генерации электроэнергии из тепла или излучения.

• Голография и виртуальная реальность: Метаматериалы с отрицательным показателем преломления могут использоваться в голографических системах и виртуальной реальности для создания реалистичных трехмерных изображений и эффектов. Эти материалы могут обеспечивать более точную и высококачественную визуализацию, что может быть полезно в образовании, развлечениях и медицинской диагностике.

Список литературы

Shelby, R. A.; Smith D.R.; Shultz S.; Nemat-Nasser S.C. (2001). "Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial" (PDF). Applied Physics Letters. 78 (4): 489.

Smith DR, Padilla WJ, Vier DC, Nemat-Nasser SC, Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Physical Review Letters. 2000; 84(18):4184.

Babar Kamal, Usman Ali, Jingdong Chen and Sadiq Ullah. Applications of Metamaterials and Metasurfaces, 2022, DOI: 10.5772/intechopen.108145.

Veselago, V. G. (1968). "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ". Physics-Uspekhi. 10 (4): 509–514.

Код для цитирования: Скопировать