Экспериментальное подтверждение существования метаматериалов с отрицательным показателем преломления

История:

Исследования искусственных материалов для манипулирования электромагнитными волнами начались в конце 19 века. Некоторые из самых ранних структур, которые можно считать метаматериалами, были изучены Джагадишем Чандрой Бозе, который в 1898 году исследовал вещества с хиральными свойствами. Карл Фердинанд Линдман изучал волновое взаимодействие с металлическими спиралями в качестве искусственной хиральной среды в начале двадцатого века.

В конце 1940-х годов Уинстон Э. Кок из AT&T Bell Laboratories разработал материалы, которые имели характеристики, сходные с метаматериалами. В 1950-х и 1960-х годах искусственные диэлектрики изучались для легких микроволновых антенн. Микроволновые радиопоглотители были исследованы в 1980-х и 1990-х годах в качестве приложений для искусственных хиральных сред.

Материалы с отрицательным индексом были впервые теоретически описаны Виктором Веселаго в 1967 году. Он доказал, что такие материалы могут пропускать свет. Он показал, что фазовую скорость можно сделать антипараллельной направлению вектора Пойнтинга. Это противоречит распространению волн в природных материалах.

В 1995 году Джон М. Герра изготовил субволновую прозрачную решетку (позже названную фотонным метаматериалом) с линиями и промежутками длиной волны 50 нм, а затем соединил ее со стандартным объективом масляного иммерсионного микроскопа (комбинация, позже названная суперлинзой) для разрешения решетки в кремниевой пластине, также имеющей линии и промежутки длиной волны 50 нм. Это изображение со сверхразрешением было получено при освещении с длиной волны 650 нм на воздухе.

В 2000 году Джон Пендри был первым, кто определил практический способ изготовления левостороннего метаматериала, материала, в котором не соблюдается правило правой руки. Такой материал позволяет электромагнитной волне передавать энергию (иметь групповую скорость) против ее фазовой скорости. Идея Пендри заключалась в том, что металлические провода, выровненные вдоль направления волны, могут обеспечивать отрицательную диэлектрическую проницаемость (диэлектрическая функция ε < 0). Природные материалы (такие как сегнетоэлектрики) обладают отрицательной диэлектрической проницаемостью; проблемой было достижение отрицательной проницаемости (µ < 0). В 1999 году Пендри продемонстрировал, что расщепленное кольцо (С-образной формы) с осью, расположенной вдоль направления распространения волны, может делать это. В той же статье он показал, что периодический массив проволочек и колец может приводить к отрицательному показателю преломления. Пендри также предложил похожую конструкцию с отрицательной проницаемостью, Swiss roll.

В 2000 году Дэвид Р. Смит и др. сообщалось об экспериментальной демонстрации функционирования электромагнитных метаматериалов путем периодической горизонтальной укладки разрезных кольцевых резонаторов и тонких проволочных конструкций. В 2002 году был предложен способ получения метаматериалов с отрицательным индексом с использованием линий передачи, нагруженных искусственными сосредоточенными элементами по микрополосковой технологии. В 2003 году был продемонстрирован комплекс (как действительная, так и мнимая части) отрицательного показателя преломления и получение изображения плоской линзой с использованием левосторонних метаматериалов. К 2007 году эксперименты с отрицательным показателем преломления проводились многими группами. На микроволновых частотах первый несовершенный плащ-невидимка был создан в 2006 году.

Электромагнитные метаматериалы:

Электромагнитный метаматериал воздействует на электромагнитные волны, которые воздействуют на его структурные особенности или взаимодействуют с ними, которые меньше длины волны. Чтобы вести себя как однородный материал, точно описываемый эффективным показателем преломления, его характеристики должны быть намного меньше длины волны.

Необычные свойства метаматериалов обусловлены резонансным откликом каждого составляющего элемента, а не их пространственным расположением в виде решетки. Это позволяет учитывать локальные эффективные параметры материала (диэлектрическую проницаемость) и Эффект резонанса, связанный с взаимным расположением элементов, ответственен за брэгговское рассеяние, которое лежит в основе физики фотонных кристаллов, другого класса электромагнитных материалов. В отличие от локальных резонансов, брэгговское рассеяние и соответствующая Брэгговская полоса пропускания имеют низкочастотный предел, определяемый расстоянием между решетками. Субволновое приближение гарантирует, что брэгговские стоп-полосы с эффектами сильной пространственной дисперсии находятся на более высоких частотах и ими можно пренебречь. Критерий смещения локального резонанса ниже нижней брэгговской стоп-полосы позволяет построить диаграмму фотонного фазового перехода в пространстве параметров, например, размера и диэлектрической проницаемости составляющего элемента. Такая диаграмма отображает область структурных параметров, позволяющих наблюдать свойства метаматериала в электромагнитном материале.

Для микроволнового излучения размеры элементов составляют порядка миллиметров. Метаматериалы микроволновой частоты обычно изготавливаются в виде массивов электропроводящих элементов (таких как проволочные петли), которые обладают подходящими индуктивными и емкостными характеристиками. Во многих микроволновых метаматериалах используются резонаторы с разрезным кольцом.

Фотонные метаматериалы структурированы в нанометровом масштабе и управляют светом на оптических частотах. Фотонные кристаллы и частотно-селективные поверхности, такие как дифракционные решетки, диэлектрические зеркала и оптические покрытия, имеют сходство со структурированными метаматериалами с субволновой длиной волны. Однако они обычно считаются отличными от метаматериалов, поскольку их функция возникает в результате дифракции или интерференции и, следовательно, не может быть аппроксимирована как однородный материал. Однако материальные структуры, такие как фотонные кристаллы, эффективны в спектре видимого света. Середина видимого спектра имеет длину волны приблизительно 560 нм (для солнечного света). Фотонно-кристаллические структуры обычно имеют половину этого размера или меньше, то есть <280 нм.

Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны, которые представляют собой пакеты электрического заряда, которые коллективно колеблются на поверхностях металлов на оптических частотах.

Частотно-селективные поверхности (FSS) могут обладать субволновыми характеристиками и известны по-разному как искусственные магнитопроводы (AMC) или высокоимпедансные поверхности (HIS). FSS демонстрируют индуктивные и емкостные характеристики, которые напрямую связаны с их субволновой структурой.

Электромагнитные метаматериалы можно разделить на различные классы следующим образом:

Отрицательный показатель преломления.

Метаматериалы с отрицательным показателем преломления (NIM) характеризуются отрицательным показателем преломления. Другие термины, обозначающие NIMS, включают "левосторонние среды", "среды с отрицательным показателем преломления" и "среды с обратной волной". NIMs, в которых отрицательный показатель преломления возникает из-за одновременно отрицательной диэлектрической проницаемости, также известны как двойные отрицательные метаматериалы или дважды отрицательные материалы (DNG).

Предполагая, что материал хорошо приближен к реальной диэлектрической проницаемости, соотношение между диэлектрической проницаемостью $\epsilon _{r}$ , проницаемостью $\mu _{r}$ и показателем преломления n задается формулой $\scriptstyle n =\pm\sqrt{\epsilon_\mathrm{r}\mu_\mathrm{r}}$ . Все известные неметаматериальные прозрачные материалы (стекло, вода) обладают положительным $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ . По соглашению положительный квадратный корень используется для n. Однако в некоторых инженерных метаматериалах есть $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}<0$ . Поскольку продукт $\epsilon _{r}\mu _{r}$ положительный, n реален. При таких обстоятельствах необходимо извлечь отрицательный квадратный корень из n. Когда оба $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ являются положительными (отрицательными), волны распространяются в прямом (обратном) направлении. Электромагнитные волны не могут распространяться в материалах с $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ противоположным знаком, поскольку показатель преломления становится мнимым. Такие материалы непрозрачны для электромагнитного излучения, и примерами могут служить плазмонные материалы, такие как металлы (золото, серебро).

Приведенные выше соображения являются упрощенными для реальных материалов, которые должны иметь комплексные значения $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ . Реальные части обоих $\epsilon _{r}$ и $\mu _{r}$ не обязательно должны быть отрицательными, чтобы пассивный материал демонстрировал отрицательное преломление. Действительно, отрицательный показатель преломления для волн с круговой поляризацией также может быть следствием хиральности.

Метаматериалы с отрицательным n обладают многочисленными интересными свойствами:

Закон Снелла (n1sinθ1 = n2sinθ2) по-прежнему описывает преломление, но поскольку n2 отрицательно, падающие и преломленные лучи находятся на одной стороне нормали к поверхности на границе материалов с положительным и отрицательным индексами.

Черенковское излучение указывает в другую сторону.

Усредненный по времени вектор Пойнтинга антипараллелен фазовой скорости. Однако для распространения волн (энергии) a –µ должно быть сопряжено с a –ε, чтобы удовлетворить зависимости волнового числа от параметров материала $kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}$ .

Отрицательный показатель преломления математически выводится из векторной тройки E, H и k.

Для плоских волн, распространяющихся в электромагнитных метаматериалах, электрическое поле, магнитное поле и волновой вектор подчиняются правилу левой руки, обратному поведению обычных оптических материалов.

На сегодняшний день только метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления.

Одиночный негатив.

Одиночные отрицательные (SNG) метаматериалы обладают либо отрицательной относительной диэлектрической проницаемостью (εr), либо отрицательной относительной проницаемостью (μr), но не обоими сразу. Они действуют как метаматериалы в сочетании с другим, дополняющим SNG, совместно действуя как DNG.

Отрицательные среды Epsilon (англ.) отображают отрицательный εr, в то время как μr положительный. Многие плазмы обладают этой характеристикой. Например, благородные металлы, такие как золото или серебро, находятся в инфракрасном и видимом спектрах.

Мю-отрицательные среды (MNG) демонстрируют положительный εr и отрицательный μr. Эту характеристику проявляют гиротропные или гиромагнитные материалы. Гиротропный материал - это материал, который был изменен присутствием квазистатического магнитного поля, обеспечивающего магнитооптический эффект. Магнитооптический эффект - это явление, при котором электромагнитная волна распространяется через такую среду. В таком материале эллиптические поляризации, вращающиеся влево и вправо, могут распространяться с разной скоростью. Когда свет проходит через слой магнитооптического материала, результат называется эффектом Фарадея: плоскость поляризации может поворачиваться, образуя вращатель Фарадея. Результаты такого отражения известны как магнитооптический эффект Керра (не путать с нелинейным эффектом Керра). Два гиротропных материала с противоположными направлениями вращения двух основных поляризаций называются оптическими изомерами.

Соединение плиты из материала ENG и плиты из материала MNG привело к таким свойствам, как резонансы, аномальное туннелирование, прозрачность и нулевое отражение. Как и материалы с отрицательным индексом, SNG обладают врожденной дисперсностью, поэтому их εr, μr и показатель преломления n зависят от частоты.

Гиперболический.

Гиперболические метаматериалы (HMM) ведут себя как металл для определенной поляризации или направления распространения света и как диэлектрик для другой из-за отрицательной и положительной составляющих тензора диэлектрической проницаемости, придавая экстремальную анизотропию. Дисперсионное соотношение материала в пространстве волновых векторов образует гиперболоид, и поэтому он называется гиперболическим метаматериалом. Крайняя анизотропия HMM приводит к направленному распространению света внутри и на поверхности.HMM продемонстрировали различные потенциальные применения, такие как зондирование, модулятор отражения, получение изображений, управление оптическими сигналами, усиление эффектов плазмонного резонанса.

Запрещенная зона.

Метаматериалы с электромагнитной запрещенной зоной (EBG или EBM) управляют распространением света. Это достигается либо с помощью фотонных кристаллов (PC), либо левосторонних материалов (LHM). ПК могут полностью запрещать распространение света. Оба класса позволяют свету распространяться в определенных, рассчитанных направлениях, и оба могут быть сконструированы с запрещенными зонами на желаемых частотах. Размер периода EBGS составляет заметную долю длины волны, создавая конструктивную и разрушительную интерференцию.

ПК отличаются от субволновых структур, таких как перестраиваемые метаматериалы, потому что ПК черпает свои свойства из характеристик запрещенной зоны. Размеры ПК соответствуют длине волны света, в отличие от других метаматериалов, которые демонстрируют субволновую структуру. Кроме того, ПК функционируют за счет дифрагирования света. В отличие от этого, метаматериал не использует дифракцию.

ПК имеют периодические включения, которые препятствуют распространению волны из-за разрушительной интерференции включений от рассеяния. Свойство ПК с фотонной запрещенной зоной делает их электромагнитным аналогом электронных полупроводниковых кристаллов.

Целью EBG является создание высококачественных периодических диэлектрических структур с низкими потерями. EBG воздействует на фотоны таким же образом, как полупроводниковые материалы влияют на электроны. ПК являются идеальным материалом с запрещенной зоной, потому что они не пропускают свет. Каждая единица предписанной периодической структуры действует как один атом, хотя и гораздо большего размера.

EBG предназначены для предотвращения распространения выделенной полосы частот при определенных углах прихода и поляризациях. Для создания особых свойств EBG были предложены различные геометрии и структуры. На практике невозможно создать безупречное устройство EBG.

EBG были изготовлены для частот в диапазоне от нескольких гигагерц (ГГц) до нескольких терагерц (ТГц), радио-, микроволновой и среднеинфракрасной частотных областей. Разработки в области применения EBG включают в себя линию передачи, поленницы древесины из квадратных диэлектрических стержней и несколько различных типов антенн с низким коэффициентом усиления.

Двойная положительная среда.

Двойные положительные среды (DPS) действительно встречаются в природе, такие как диэлектрики природного происхождения. Диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость оба положительны, и распространение волн происходит в прямом направлении. Были изготовлены искусственные материалы, сочетающие свойства DPS, ENG и MNG.

Биизотропный и бианизотропный.

Классификация метаматериалов на двойные или одинарные отрицательные или дважды положительные обычно предполагает, что метаматериал обладает независимыми электрическими и магнитными откликами, описываемыми ε и µ. Однако во многих случаях электрическое поле вызывает магнитную поляризацию, в то время как магнитное поле индуцирует электрическую поляризацию, известную как магнитоэлектрическая связь. Такие среды обозначаются как биизотропные. Среды, которые проявляют магнитоэлектрическую связь и которые являются анизотропными (что имеет место для многих структур из метаматериалов), называются бианизотропными.

Четыре материальных параметра присущи магнитоэлектрическому взаимодействию биизотропных сред. Это напряженность электрического (E) и магнитного (H) полей, а также плотность электрического (D) и магнитного (B) потоков. Этими параметрами являются ε, µ, κ и χ или диэлектрическая проницаемость, проницаемость, сила хиральности и параметр Теллегена соответственно. В этом типе сред параметры материала не меняются при изменениях вдоль повернутой системы координат измерений. В этом смысле они инвариантны или скалярны.

Собственные магнитоэлектрические параметры, κ и χ, влияют на фазу волны. Эффект параметра хиральности заключается в разделении показателя преломления. В изотропных средах это приводит к распространению волны, только если ε и µ имеют одинаковый знак. В биоизотропных средах, где χ принимается равным нулю, а - ненулевым значением, появляются разные результаты. Может возникнуть либо обратная волна, либо прямая волна. В качестве альтернативы могут возникнуть две прямые волны или две обратные волны, в зависимости от величины параметра хиральности.

В общем случае определяющие соотношения для би-анизотропных материалов гласят, $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,$ $\mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,$ где $\эпсилон$ и $\му$ являются тензорами диэлектрической проницаемости соответственно, тогда как $\xi$ и $\дзета$ являются

двумя магнитоэлектрическими тензорами. Если среда является обратной, то диэлектрическая проницаемость являются симметричными тензорами, и $\xi=-\дзета^T=-i \каппа^T$ , где $\каппа$ - киральный тензор, описывающий киральный

электромагнитный и взаимный магнитоэлектрический отклик. Киральный тензор может быть выражен как $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I + N + J$ , где $\operatorname {tr} (\kappa )$ - след $\каппа$ , I - единичная матрица, N - симметричный тензор без следов, а J -

антисимметричный тензор. Такое разложение позволяет нам классифицировать обратную бианизотропную реакцию, и мы можем идентифицировать следующие три основных класса: (i) хиральные сред

$\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ , (ii) псевдохиральные среды ( $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0$ ), (iii) омега-среды ( $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0$ ).

Хиральный.

Управляемость метаматериалов является потенциальным источником путаницы, поскольку литература по метаматериалам включает два противоречивых использования терминов "левша" и "правша". Первая относится к одной из двух волн с круговой поляризацией, которые являются распространяющимися модами в киральных средах. Второй относится к триплету электрического поля, магнитного поля и вектора Пойнтинга, которые возникают в средах с отрицательным показателем преломления, которые в большинстве случаев не являются киральными.

Как правило, хиральный и / или бианизотропный электромагнитный отклик является следствием трехмерной геометрической хиральности: 3D-хиральные метаматериалы состоят путем встраивания 3D-хиральных структур в основную среду, и они проявляют связанные с хиральностью поляризационные эффекты, такие как оптическая активность и круговой дихроизм. Также существует концепция двумерной хиральности, и говорят, что плоский объект является хиральным, если его нельзя наложить на его зеркальное отражение, пока он не будет поднят с плоскости. Наблюдалось, что анизотропные 2D-киральные метаматериалы с потерями проявляют направленно асимметричное пропускание (отражение, поглощение) волн с круговой поляризацией из-за дихросима кругового преобразования. С другой стороны, бианизотропный отклик может возникать из-за геометрических ахиральных структур, не обладающих ни 2D, ни 3D внутренней хиральностью. Плам и его коллеги исследовали магнитоэлектрическую связь из-за внешней хиральности, когда расположение (ахиральной) структуры вместе с волновым вектором излучения отличается от ее зеркального отражения, и наблюдали большую настраиваемую линейно-оптическую активность, нелинейно-оптическую активность, зеркально-оптическую активность и дихроизм кругового преобразования. Рицца и др предложили одномерные киральные метаматериалы, в которых эффективный киральный тензор не обращается в нуль, если система геометрически одномерная киральная (зеркальное отображение всей структуры не может быть наложено на нее с помощью перемещений без поворотов).

3D-хиральные метаматериалы изготавливаются из хиральных материалов или резонаторов, в которых эффективный параметр хиральности $\каппа$ отличен от нуля. Свойства распространения волн в таких хиральных метаматериалах демонстрируют, что отрицательное преломление может быть реализовано в метаматериалах с сильной хиральностью и положительным $\epsilon_r$ и $\mu _{r}$ . Это связано с тем, что показатель преломления $n$ имеет разные значения для волн с левой и правой циркулярной поляризацией, задаваемые

$n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa$

Можно видеть, что отрицательный индекс будет иметь место для одной поляризации, если $\каппа$ > ${\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}$ . В этом случае необязательно, чтобы одно или оба $\epsilon_r$ и $\mu _{r}$ были отрицательными для распространения обратной волны. Отрицательный показатель преломления из-за хиральности впервые наблюдался одновременно и независимо Plum et al. и Zhang et al. в 2009 году.

Основанный на FSS.

Частотно-селективные поверхностные метаматериалы блокируют сигналы в одной полосе частот и пропускают их в другой полосе частот. Они стали альтернативой метаматериалам с фиксированной частотой. Они допускают необязательные изменения частот в одной среде, а не ограничительные возможности фиксированной частотной характеристики.

Другие типы:

Эластичный.

Эти метаматериалы используют различные параметры для достижения отрицательного показателя преломления в материалах, которые не являются электромагнитными. Кроме того, "новая конструкция эластичных метаматериалов, которые могут вести себя либо как жидкости, либо как твердые вещества в ограниченном диапазоне частот, может обеспечить новые приложения, основанные на управлении акустическими, упругими и сейсмическими волнами". Их также называют механическими метаматериалами.

Акустический.

Акустические метаматериалы контролируют, направляют и манипулируют звуком в форме звуковых, инфразвуковых или ультразвуковых волн в газах, жидкостях и твердых телах. Как и в случае с электромагнитными волнами, звуковые волны могут демонстрировать отрицательное преломление.

Управление звуковыми волнами в основном осуществляется с помощью объемного модуля β, массовой плотности и хиральности. Объемный модуль упругости и плотность являются аналогами диэлектрической проницаемости в электромагнитных метаматериалах. С этим связана механика распространения звуковой волны в решетчатой структуре. Также материалы имеют массу и внутреннюю степень жесткости. Вместе они образуют резонансную систему, и механический (звуковой) резонанс может возбуждаться соответствующими звуковыми частотами (например, слышимыми импульсами).

Структурный.

Конструкционные метаматериалы обладают такими свойствами, как дробимость и малый вес. Используя проекционную микростереолитографию, микрорешетки могут быть созданы с использованием форм, очень похожих на фермы и прогоны. Созданы материалы на четыре порядка жестче обычного аэрогеля, но с такой же плотностью. Такие материалы могут выдерживать нагрузку, по меньшей мере в 160 000 раз превышающую их собственный вес, за счет чрезмерного давления на материалы.

Керамический нанотрубчатый метаматериал можно сплющить и вернуть в его исходное состояние.

Термический.

Обычно встречающиеся в природе материалы, будучи однородными, термически изотропны. То есть тепло проходит через них примерно с одинаковой скоростью во всех направлениях. Однако термические метаматериалы анизотропны обычно из-за их высокоорганизованной внутренней структуры. Примерами этого являются композитные материалы с высоко выровненными внутренними частицами или структурами, такие как волокна, например, углеродные нанотрубки (УНТ).

Нелинейный.

Могут быть изготовлены метаматериалы, которые включают в себя некоторую форму нелинейных сред, свойства которых изменяются в зависимости от мощности падающей волны. Нелинейные среды необходимы для нелинейной оптики. Большинство оптических материалов имеют относительно слабый отклик, что означает, что их свойства изменяются лишь на небольшую величину при больших изменениях интенсивности электромагнитного поля. Локальные электромагнитные поля включений в нелинейных метаматериалах могут быть намного больше среднего значения поля. Кроме того, были предсказаны и наблюдались замечательные нелинейные эффекты, если эффективная диэлектрическая проницаемость метаматериала очень мала (эпсилон-околонулевая среда). Кроме того, экзотические свойства, такие как отрицательный показатель преломления, создают возможности для настройки условий согласования фаз, которые должны выполняться в любой нелинейно-оптической структуре.

Зал метаматериалов.

В 2009 году Марк Бриан и Грэм Милтон математически доказали, что в принципе можно инвертировать знак композита на основе трех материалов в 3D, изготовленного только из материалов с положительным или отрицательным знаком коэффициента Холла. Позже, в 2015 году, Муамер Кадич и др. показали, что простая перфорация изотропного материала может привести к изменению знака коэффициента Холла. Это теоретическое утверждение было, наконец, экспериментально продемонстрировано Кристианом Керном и др.

В 2015 году Кристиан Керн и др. также продемонстрировали что анизотропная перфорация одного материала может привести к еще более необычному эффекту, а именно к параллельному эффекту Холла. Это означает, что индуцированное электрическое поле внутри проводящей среды больше не ортогонально току и магнитному полю, а фактически параллельно последнему.

Полосы частот:

Терагерцовый.

Терагерцевые метаматериалы взаимодействуют на терагерцовых частотах, обычно определяемых от 0,1 до 10 ТГц. Терагерцовое излучение находится на дальнем конце инфракрасного диапазона, сразу после окончания микроволнового диапазона. Это соответствует миллиметровой и субмиллиметровой длинам волн между 3 мм (диапазон КВЧ) и 0,03 мм (длинноволновая граница дальнего инфракрасного излучения).

Фотонный.

Фотонный метаматериал взаимодействует с оптическими частотами (средняя инфракрасная область). Субволновой период отличает их от фотонных структур с запрещенной зоной.

Настраиваемый.

Перестраиваемые метаматериалы позволяют произвольно регулировать частотные изменения показателя преломления. Перестраиваемый метаматериал выходит за пределы ограничений полосы пропускания, присущих левосторонним материалам, за счет создания различных типов метаматериалов.

Плазмонный.

Плазмонные метаматериалы используют поверхностные плазмоны, которые образуются при взаимодействии света с металлическими диэлектриками. При определенных условиях падающий свет соединяется с поверхностными плазмонами, создавая самоподдерживающиеся, распространяющиеся электромагнитные волны или поверхностные волны.

Приложения:

Метаматериалы рассматриваются для многих применений. Антенны из метаматериала имеются в продаже.

В 2007 году один исследователь заявил, что для реализации применений метаматериалов необходимо снизить потери энергии, превратить материалы в трехмерные изотропные материалы и индустриализовать технологии производства.

Антенны.

Антенны из метаматериалов - это класс антенн, которые используют метаматериалы для повышения производительности. Демонстрации показали, что метаматериалы могут увеличивать мощность излучения антенны .Материалы, которые могут достигать отрицательной проницаемости, обеспечивают такие свойства, как малый размер антенны, высокая направленность и настраиваемая частота. Одноотрицательные метаматериалы, такие как линии мета-сетки , могут облегчить взаимную связь в плотно упакованных антенных решетках MIMO.

Absorber.

Поглотитель метаматериалов управляет компонентами потерь диэлектрической и магнитной проницаемости метаматериалов для поглощения большого количества электромагнитного излучения. Это полезная функция для фотоприемника и для применения в солнечной фотоэлектрике. Компоненты потерь также важны в приложениях с отрицательным показателем преломления (фотонные метаматериалы, антенные системы) или в трансформационной оптике (маскировка метаматериалом, небесная механика), но часто в этих приложениях не используются.

Сверхлинзы.

Суперлинза - это двумерное или трехмерное устройство, в котором используются метаматериалы, обычно с отрицательными свойствами преломления, для достижения разрешения, превышающего дифракционный предел (в идеале, бесконечное разрешение). Такое поведение обеспечивается способностью материалов с двойным отрицанием передавать отрицательную фазовую скорость. Предел дифракции присущ обычным оптическим устройствам или линзам.

Маскирующие устройства.

Метаматериалы являются потенциальной основой для практического маскировочного устройства. Доказательство принципа было продемонстрировано 19 октября 2006 года. Публично известно, что практичных плащей не существует.

RCS (Radar Cross Section), уменьшающий метаматериалы.

Обычно RCS была уменьшена либо с помощью радиопоглощающего материала (RAM), либо путем целенаправленного формирования целей таким образом, что рассеянная энергия может быть перенаправлена от источника. Хотя RAMS имеют функциональность в узком частотном диапазоне, формирование цели ограничивает аэродинамические характеристики цели. Совсем недавно были синтезированы метаматериалы или метаповерхности, которые могут перенаправлять рассеянную энергию от источника, используя либо теорию массивов, либо обобщенный закон Снелла. Это привело к получению аэродинамически благоприятных форм для целей с уменьшенным RCS.

Сейсмическая защита.

Сейсмические метаматериалы противодействуют неблагоприятному воздействию сейсмических волн на искусственные сооружения.

Фильтрация звука.

Метаматериалы, текстурированные с наноразмерными морщинами, могут управлять звуковыми или световыми сигналами, такими как изменение цвета материала или улучшение разрешения ультразвука. Виды применения включают неразрушающий контроль материалов, медицинскую диагностику и подавление звука. Материалы могут быть изготовлены с помощью высокоточного процесса многослойного осаждения. Толщину каждого слоя можно регулировать с точностью до доли длины волны. Затем материал сжимается, создавая точные складки, расстояние между которыми может вызвать рассеяние выбранных частот.

Манипуляции в управляемом режиме.

Метаматериалы могут быть интегрированы с оптическими волноводами для настройки управляемых электромагнитных волн (мета-волновод). Субволновые структуры, подобные метаматериалам, могут быть интегрированы, например, с кремниевыми волноводами для разработки поляризационных светоделителей и оптических ответвителей, добавляя новые степени свободы управления распространением света на наноуровне для интегрированных фотонных устройств. Другие приложения, такие как встроенные преобразователи мод, мультиплексоры поляризации (de), структурированная генерация света, и встроенные биосенсоры может быть разработан.

Теоретические модели:

Все материалы состоят из атомов, которые являются диполями. Эти диполи изменяют скорость света в n раз (показатель преломления). В разрезном кольцевом резонаторе кольцо и проволочные блоки действуют как атомные диполи: проволока действует как атом сегнетоэлектрика, в то время как кольцо действует как индуктор L, в то время как открытая секция действует как конденсатор C. Кольцо в целом действует как ЖК-схема. Когда электромагнитное поле проходит через кольцо, создается индуцированный ток. Генерируемое поле перпендикулярно магнитному полю света. Магнитный резонанс приводит к отрицательной проницаемости; показатель преломления также отрицательный. (Линза не совсем плоская, поскольку емкость структуры создает наклон для электрической индукции.)

Несколько (математических) моделей материалов с частотной характеристикой в DNGS. Одной из них является модель Лоренца, которая описывает движение электронов в терминах гармонического осциллятора с управляемым затуханием. Модель релаксации Дебая применяется, когда компонент ускорения математической модели Лоренца мал по сравнению с другими компонентами уравнения. Модель Друде применяется, когда составляющая восстанавливающей силы пренебрежимо мала, а коэффициентом связи обычно является частота плазмы. Другие различия компонентов требуют использования одной из этих моделей, в зависимости от ее полярности или назначения.

Трехмерные композиты из металлических / неметаллических включений, периодически / случайным образом внедренных в матрицу с низкой диэлектрической проницаемостью, обычно моделируются аналитическими методами, включая формулы смешивания и методы, основанные на матрице рассеяния. Частица моделируется либо электрическим диполем, параллельным электрическому полю, либо парой скрещенных электрического и магнитного диполей, параллельных соответственно электрическому и магнитному полям приложенной волны. Эти диполи являются ведущими членами в серии мультиполей. Они являются единственными существующими для однородной сферы, поляризуемость которой может быть легко получена из коэффициентов рассеяния Ми. В общем, эта процедура известна как "приближение точечного диполя", которое является хорошим приближением для метаматериалов, состоящих из композитов электрически малых сфер. Достоинства этих методов включают низкую стоимость вычислений и математическую простоту.

Три концепции - среда с отрицательным индексом, неотражающий кристалл и суперлинза являются основой теории метаматериалов. Другие методы первых принципов анализа трехпериодических электромагнитных сред можно найти в вычислении фотонной зонной структуры

Институциональные сети:

MURI.

Многопрофильная университетская исследовательская инициатива (MURI) объединяет десятки университетов и несколько правительственных организаций. Участвующие университеты включают Калифорнийский университет в Беркли, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, Калифорнийский университет в Сан-Диего, Массачусетский технологический институт и Имперский колледж в Лондоне. Спонсорами являются Управление военно-морских исследований и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов.

MURI поддерживает исследования, которые пересекают более чем одну традиционную научную и инженерную дисциплину, чтобы ускорить как исследования, так и перевод в приложения. По состоянию на 2009 год ожидалось, что 69 академических институтов примут участие в 41 исследовательской работе.

Метаморфоза.

Виртуальный институт искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов "Metamorphose VI AISBL" - международная ассоциация по продвижению искусственных электромагнитных материалов и метаматериалов. Она организует научные конференции, поддерживает специализированные журналы, создает исследовательские программы и управляет ими, предоставляет учебные программы (включая докторскую степень и программы обучения для промышленных партнеров); и передачу технологий европейской промышленности.

2000 год — Экспериментальное подтверждение существования метаматериалов с отрицательным показателем преломления (Д. Смит, Дж. Пендри).