Метаматериал

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Метаматериалите са изкуствени композитни материали с предварително зададени свойства, които могат да бъдат и такива, каквито не се срещат или са рядко срещани сред познатите естествени среди. Градивните елементи на метаматериала, техните форма, размери, взаимно разположение и ориентация, определят макроскопичния ефект, който ще се оказва върху преминаващ вълнови процес (електромагнитна, акустична или сеизмична вълна). В този смисъл, свойствата на метаматериала се определят от цялостната му структура. При условие, че градивните елементи на метаматериала са много по-малки от дължината на вълната, средата може да се разглежда като еквивалентна на естествените среди, чиито атоми и молекули и разположението им определят начина, по който те влияят върху вълните.[1] [2][3]

Основното направление в изследванията на научната общност са електромагнитните метаматериали.[4] Съществуват също така и изследвания върху акустични и сеизмични метаматериали.[5][6]

Потенциалните приложения на математериалите включват изготвяне на насочени антени с висок коефициент на насочено действие[7], антени с честотно сканиране[8], оптични системи за съхранение на информация[9], неотразяващи и силно отразяващи покрития[10], миниатюризация на вълноводи[11], СВЧ филтри[12].

Електромагнитни метаматериали[редактиране | редактиране на кода]

Начинът, по който една среда влияе върху електромагнитните вълни се описва от параметрите диелектрична и магнитна проницаемост. При електромагнитните метаматериали обект на интерес са именно тези величини, както и определения от тях коефициент на пречупване.

Свойства[редактиране | редактиране на кода]

Лявоориентирана тройка вектори[редактиране | редактиране на кода]

Разпространението на електромагнитна вълна се описва от системата уравнения на Максуел. За плоска монохроматична вълна, разпространяваща се в посока Oz на Декартова координатна система, при липса на загуби векторите на електрическото и магнитно полета се изменят по закона , където е фазовата константна на разпространение (вълнови вектор), а уравненията на Максуел имат вида:

където εr и μr са съответно относителните диелектрична и магнитна проницаемости.

В средите с положителни εr и μr векторите образуват тройка, която се подчинява на правилото на дясната ръка (т.нар. дясноориентирана тройка). При едновременно отрицателни проницаемости, уравненията на Максуел ще имат вида:

от което следва, че векторите образуват лявоориентирана тройка.[13]

Разпространение с обратни вълни[редактиране | редактиране на кода]

Посоката на разпостранение на енергията на вълната се определя от вектора на Пойнтинг , W/m2, който образува дясна тройка с векторите и . Следователно, в средите с εr < 0 и μr < 0 векторът на фазовата скорост е насочен обратно на посоката на разпространение на енергията.[3]

Отрицателен коефициент на пречупване[редактиране | редактиране на кода]

При едновременно отрицателни диелектрична и магнитна проницаемости коефициентът на пречупване има отрицателна стойност, тъй като (фазова скорост, обратна на посоката на разпространение на енергията).

Демонстрация на отрицателен ъгъл на пречупване при преминаване на Гаусов сноп лъчи през призма от метаматериал с отрицателни ефективни диелектрична и магнитна проницаемости. Източникът на монохроматично трептение се намира вляво на картината. В призмата разпространението се извършва с обратна вълна.

Отрицателен ъгъл на пречупване[редактиране | редактиране на кода]

Пречупване на лъч на границата между две среди. (a) Положителен коефициент на пречупване- във втората среда пречупеният лъч е отклонен в противоположната полуравнина спрямо падащия; (b) Отрицателен коефициент на пречупване - пречупеният лъч е в същата полуравнина като падащия.

Ъгълът на пречупване при навлизане на електромагнитна вълна от среда с положителен коефициент на пречупване n1 под ъгъл θ1 в среда с отрицателен коефициент на пречупване n2, определен по закона на Снелиус, е:

При средите с положителни проницаемости ъгълът на пречупване е положителен (пречупеният лъч лежи в противоположната, спрямо нормалата към граничната повърхност, равнина). Ако обаче проницаемостите са отрицателни, то пречупеният лъч се отклонява в обратна посока.

Дисперсия[редактиране | редактиране на кода]

Съществуването на едновременно отрицателни диелектрична и магнитна проницаемости е възможно само при условие, че тези параметри се променят с честотата (честотна дисперсия). Проницаемости с едновременно отрицателни реални части се получават в ограничен честотен диапазон.[13]

Обратен ефект на Доплер[редактиране | редактиране на кода]

В среда с едновременно отрицателни проницаемости честотата на електромагнитна вълна, излъчвана от отдалечаващ се от наблюдател източник, ще бъде измерена от наблюдателя като по-голяма от тази според източника (синьо отместване). Ако източникът се движи към наблюдателя, измерената честота ще бъде по-малка (червено отместване). Ефектът е обратен на наблюдавания при среди с положителни проницаемости.[13]

Обратно излъчване на Черенков[редактиране | редактиране на кода]

При ефекта на Черенков се наблюдава излъчване на светлина от среда, през която се движи заредена частица със скорост, по-голяма от скоростта на светлината в средата. В среди с εr < 0 и μr < 0 ъгълът между направленията на движение на частицата и посоката на разпорстранение на вълновия фронт на излъчваната вълна е по-голям от 900 или вълната се излъчва назад спрямо посоката на движение на частицата. В среди с положителни проницаемости излъчването е напред.[13]

Видове[редактиране | редактиране на кода]

Според пространствената структура[редактиране | редактиране на кода]

Според пространствената си структура метаматериалите биват обемни и планарни. Обемните представляват тримерна структура (въпреки, че могат да бъдат анизотропни и свойствата да се наблюдават само за някои от измеренията). Планарните представляват повърхност, като най-често са основани на предавателна линия - микролентова, копланарна или процепна.

Според използвания конструктивен подход[редактиране | редактиране на кода]

Според използвания конструктивен подход метаматериалите биват резонансни и безрезонансни. При резонансните се използват резониращи градивни елементи (обикновено резонатори с прекъснати пръстени и техни разновидности за постигане на отрицателна магнитна проницаемост). Като безрезонансни се конструират някои планарни метаматериали - предавателни линии, натоварени с елементи със съсредоточени параметри (кондензатори, варактори, бобини)[13].

Структура[редактиране | редактиране на кода]

Обемни метаматериали[редактиране | редактиране на кода]

Обемните метаматериали се изграждат чрез пространствено съвместяване на среда с отрицателна диелектрична проницаемост с такава с отрицателна магнитна проницаемост. Първата реализация е на проф. Дейвид Смит (Duke University) и датира от 2000г[14]. В голямата си част, следващите реализации се базират на същата идея. Всяка от съставните среди представлява периодичен масив от градивни елементи, като размерите и разстоянията между тях са много по-малки от дължината на вълната (поне 10 пъти). Последното е условие средата да се разглежда като "ефективно хомогенна" - характеризирана от ефективни диелектрична и магнитна проницаемости.

Изкуствена среда с отрицателна диелектрична проницамост[редактиране | редактиране на кода]

За постигане на отрицателна ефективна диелектрична проницаемост (реална част) се използва среда от тънки линейни проводници. Ефективната диелектрична проницаемост на такава среда в направление, успоредно на проводниците за вълна, чийто вектор на електрическото поле е успореден на тях, се описва от модела на Друде (по подобие на диелектричната проницаемост на метали):

където rad/s е кръговата честота, rad/s е т.нар. плазмена честота (определя се от радиуса на проводниците и разстоянието между тях), а rad/s е коефициент, отчитащ загубите.

Съществува подход, при който за получаване на отрицателна диелектрична проницаемост се използва правоъгълен метален вълновод, работещ при честота, под критичната. В този случай във вълновода липсва вълнови процес, а ефективната му диелектрична проницаемост може да се счита за отрицателна.

Изкуствена среда с отрицателна магнитна проницамост[редактиране | редактиране на кода]

За постигане на отрицателна ефективна магнитна проницаемост се използва масив от т.нар. резонатори с прекъснати пръстени (split-ring resonator). Възбуждан от перпендикулярно на равнината му променливо във времето магнитно поле, резонаторът с прекъснати пръстени е източник на магнитен диполен момент, противостоящ на това поле и максимален по стойност при резонанс. Ефективната магнитна проницаемост се подчинява на закона на Лорентц:

където rad/s е плазмена честота, по аналогия с , rad/s е резонансната честота на резонаторите с прекъснати пръстени, а коефициентът rad/s отчита загубите.

При проектиране, параметрите на елементите на масивите се подбират такива, че ωpe > ωpm > ω0. С това се осигурява лента на едновременно отрицателни проницаемости между честотите ω0 и ωpm.

За получаване на отрицателна магнитна проницаемост се използва и ферит. При феритните метаматериали, благодарение на явленията надлъжен и напречен феромагнитен резонанс, μr < 0 се постига в ограничена честотна лента при подходяща поляризация на падащата вълна.

Планарни метаматериали[редактиране | редактиране на кода]

Планарните метаматериали обикновено се изготвят на база планарни предавателни линии - копланарен вълновод[15], микролентова линия[12][16] и др. Подходите за конструиране са:

  • с натоварване на предавателна линия с резонансни елементи, подобни на използваните при обемните метаматериали[15][16];
  • с използване на елементи със съсредоточени (например кондензатори за повърхностен монтаж) или полу-съсредоточени елементи (например кондензатори в микролентово изпълнение)[17].

История[редактиране | редактиране на кода]

Историята на метаматериалите е пряко свързана с изкуствените диелектрици. Първите разработки на изкуствен диелектрик датират от 1948г. и принадлежат на У. Кок (Bell Laboratories). Работата му е мотивирана от нуждата от олекотени материали за изработка на антенни лещи[18].

Теоретично, проблемът за отрицателно пречупване на електромагнитни вълни е разгледан от Манделщам през 1944г[19]. Той отбелязва, че за ъгъла на разпространение на пречупения лъч, законът на Снелиус допуска две решения и . Второто решение се отхвърля за естествените среди с положителни проницаемости по физични съображения, тъй като налага фазовата скорост на вълната във втората среда да е насочена към граничната повърхност. Точно такъв, обаче, е случаят с метаматериалите с отрицателни проницаемости.

Първото теоретично разглеждане на материал с едновременно отрицателни диелектрична и магнитна проницаемост и неговите свойства е направено от В. Веселаго (Институт Лебедев) през 1968г.[20] Той посочва редица естествени среди, при които се наблюдава отрицателна диелектрична проницаемост, а за отрицателната магнитна проницаемост отбелязва, че не познаваме нито един материал, който да е изотропен и да притежава . Това е и причината и за липса на интерес към по-нататъшна дискусия по темата.

През 1999-2000г. Дж. Пендри (Imperial College) предлага изкуствена среда с отрицателна магнитна проницаемост, съставена от различни магнитно поляризуеми елементи, най-популярни от които стават резонаторите с прекъснати пръстени[21]. Първото докладвано експериментално изследване на метаматериал, образуван като пространствено съвместяване на масив от тънки кръгли линейни проводници и резонатори с прекъснати пръстени, изготвени върху стъклотекстолит, принадлежи на проф. Д. Смит (2000г)[14].

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Caloz, Christophe и др. Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory And Microwave Applications. Wiley & Sons, 2006. с. 1–3.
  2. Eleftheriades, G. и др. Negative Refraction Metamaterials: Fundamental Principleas and Applications. Wiley & Sons, 2005. с. xiii, 1–3.
  3. а б Engheta, Nader и др. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations. Wiley & Sons, 2006-06. ISBN 978-0-471-76102-0. с. xv, 16 - 19.
  4. Smith, D. и др. Composite Medium with Simultaneously Negative Permability and Permittivity. // Physics Review Letters 84 (18). 2000-05. с. 4184 - 4187.
  5. Guenneau, Sebastien и др. Acoustic metamaterials for sound focusing and confinement. // New Journal of Physics 9 (399). 2007. DOI:10.1088/1367-2630/9/11/399. с. 1367–2630.
  6. Brun, M. и др. Achieving control of in-plane elastic waves. // Appl. Phys. Lett. 94 (61903). 2009-02-09. DOI:10.1063/1.3068491. с. 1–7.
  7. Enoch, S. и др. A Metamaterial for Directive Emission. // Physics Review Letters 89 (21). 2002-11.
  8. Lim, S. и др. Metamaterial-Based Electronically Controlled Transmission-Line Structure as a Novel Leaky-Wave Antenna With Tunable Radiation Angle and Bandwidth. // IEEE Trans. MTT 52 (12). 2004-12. с. 2678 - 2690.
  9. Liu, L. и др. Near-Field Optical Storage SystemUsing a Solid Immersion Lens with a Left-Handed Material Slab. // Optics Express 12 (20). 2004-10. с. 4835 - 4840.
  10. Cory, H. и др. Wave Propagation in Metamaterial Multi-Layered Structures. // Microwave and Optical Technology Letters 40 (6). 2004-03. с. 460 - 465.
  11. Hrabar, S. и др. Waveguide Miniaturization Using Uniaxial Negative Permeability Metamaterial. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation 53 (1). 2005-01. с. 110 - 119.
  12. а б Gil, I. и др. Metamaterials in Microstrip Technology for Filter Applications. // Proc. APS-URSI. 2005-07.
  13. а б в г д Marques, Ricardo и др. Metamaterials with Negative Parameters: Theory, Design, and Microwave Applications. Wiley & Sons, 2008. ISBN 978-0-471-74582-2. с. 2 - 9, 10 - 11, 43 - 44.
  14. а б Smith, D. и др. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity. // Physical Review Letters 84 (18). 2000-05. с. 4184 - 4187.
  15. а б Falcone, F. и др. Coplanar Waveguide Structures Loaded with Split-Ring Resonators. // Microwave and Optical Technology Letters 40 (1). 2004-01.
  16. а б Falcone, F. и др. Effective Negative-ε Stopband Microstrip Lines Based on Complementary Split-Ring Resonators. // IEEE Microwave and Wireless Components Letters 14 (6). 2004-06. с. 280 - 282.
  17. Caloz, C. и др. Transimission Line Approach of Left-Handed (LH) Materials and Microstrip Implementation of an Artificial LH Transmission Line. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation 52 (5). 2004-05. с. 1159 - 1166.
  18. Kock, W.. Metallic Delay Lenses. // Bell Systems Technology Journal 27 (1). 1948-01. с. 58 - 82.
  19. Mandelschtam, L.. Lecture on Some Problems of the Theory of Oscillations. // Complete Collection of Works 5. 1944. с. 428 - 467.
  20. Veselago, V.. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and μ. // Soviet Physics Uspekhi 10 (4). 1968. с. 509 - 514.
  21. Pendry, J. и др. Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 47 (11). 1999-11. с. 2075 - 2084.