Метаматериалы
 Скачать 249.55 Kb.
|
|
Тема: Метаматериалы СодержаниеВведение 2 1 Общие понятия о метаматериалах 3 2 Структура метаматериалов 10 3 Создание метаматериалов 12 4 Законы геометрической оптики 14 5 Материалы-невидимки 15 ВведениеАктуальность исследования. В последние годы ведутся интенсивные исследования явлений, связанных с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной интенсификации этих исследований стало появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой, которые называются метаматериалами. Проблематика исследования. Метаматериалы, ставшие предметом обсуждения на одном из заседаний Президиума РАН, - это искусственно созданные или составленные среды, электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, размещёнными по заданной схеме на микроскопическом уровне. Поэтому свойства этих материалов можно изменять таким образом, чтобы они имели более широкий диапазон электромагнитных характеристик, включая отрицательный коэффициент преломления. Одни метаматериалы преломляют или отражают электромагнитные волны (свет) совершенно по-иному, чем это происходит в реальном мире. Другие, например фотонные кристаллы, могут останавливать (запирать) электромагнитные волны или пропускать их по таким каналам (волноводам), в которых обычно эти волны не распространяются. Об уникальных свойствах метаматериалов и пойдет речь в этом реферате. Цель: изучение способов получения и область применения метаматериалов. Объект: метаматериалы. Предмет исследования: область применения метаматериалов. 1 Общие понятия о метаматериалахМетаматериалы - это материалы, созданные из нескольких различных материалов или материалы, имеющие невероятно сложное строение, или оба этих варианта в одном. Метаматериал — материал, природные свойства которого обусловлены не столько природными физическими свойствами, сколько периодической микроструктурой, создаваемой человеком[1]. Метаматериалы создаются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую ε и магнитную μ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие включения можно рассматривать как искусственные, чрезвычайно больших размеров атомы. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет большой выбор свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).  Рисунок 1- Образец метаматериала Метаматериалы не существуют в природе. Это исключительно рукотворные объекты, позволяющие за счет созданной неоднородности их структуры управлять свойствами света и добиваться захватывающих эффектов. Одним из уникальных свойств некоторых видов метаматериалов является то, что они способны эффективно преломить падающий свет таким образом, что объекты, покрытые слоем такого метаматериала, становятся полностью невидимыми. Ещё не так давно существование метаматериалов считалось невозможным, поскольку, как казалось, они нарушают законы оптики. Но в 2006 г. исследователи из Университета Дьюка в Дарэме (штат Северная Каролина) и Имперского колледжа в Лондоне успешно опровергли это общепринятое мнение и при помощи метаматериалов сделали объект невидимым для микроволнового излучения[2]. При создании метаматериалов в вещество внедряются крошечные имплантаты, которые вынуждают электромагнитные волны выбирать нестандартные пути. Отсюда, и приставка к «метаматериалам» - «мета», что означает «вне», то есть установку в основной материал каких-либо дополнительных элементов. В частности, ученые внедрили в медные ленты, уложенные плоскими концентрическими кругами (все это немного напоминает по конструкции конфорку электроплитки), множество крошечных электрических контуров. Результатом стала сложная структура из керамики, тефлона, композитных волокон и металлических компонентов. Крошечные имплантаты, присутствующие в меди, дают возможность отклонять микроволновое излучение и направлять его по заданному пути. Это подобно тому, как река обтекает валун. Вода очень быстро оборачивается вокруг камня, поэтому ниже по течению его присутствие никак не сказывается и выявить его невозможно. Точно так же метаматериалы способны непрерывно изменять маршрут микроволн таким образом, чтобы они обтекали, скажем, некий цилиндр и тем самым делали все внутри этого цилиндра невидимым для радиоволн (рис. 2). Главная особенность метаматериалов - отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей.  Рисунок 2- Обтекание цилиндра радиоволнами Если метаматериал сможет к тому же устранить все отражения и тени, то объект станет полностью невидимым для этой формы излучения. Ученые успешно продемонстрировали этот принцип при помощи устройства, состоящего из десяти колец из стекловолокна, покрытых медными элементами. Медное кольцо внутри устройства было почти невидимым для микроволнового излучения; оно лишь отбрасывало слабую тень[3]. Необычные свойства метаматериалов базируются на их способности управлять параметром, известным как «показатель преломления». Преломление — свойство света менять направление распространения при прохождении через прозрачный материал. Если опустить руку в воду или просто посмотреть через линзы очков, можно заметить, что вода и стекло отклоняют и искажают ход лучей обычного света. Причина отклонения светового луча в стекле или воде состоит в том, что при входе в плотный прозрачный материал свет замедляется. Скорость света в идеальном вакууме постоянна, но в стекле или воде свет «проходит» через скопление триллионов атомов и потому замедляется. Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления. Поскольку свет в любой среде замедляется, показатель преломления всегда больше единицы. К примеру, показатель преломления для вакуума составляет 1,00; для воздуха —1,0003; для стекла—1,5; для бриллианта—2,4. Как правило, чем плотнее среда, тем сильнее она отклоняет луч света и тем больше, соответственно, показатель преломления. Очень наглядной демонстрацией явлений, связанных с преломлением, могут послужить миражи. Если вы, проезжая по шоссе в жаркий день, будете смотреть прямо вперед, на горизонт, то дорога местами покажется вам мерцающей и создаст иллюзию сверкающей водной глади. В пустыне иногда можно увидеть на горизонте очертания далеких городов и гор. Происходит это потому, что нагретый над дорожным полотном или песком пустыни воздух имеет более низкую плотность и, соответственно, более низкий показатель преломления, чем окружающий его обычный, более прохладный воздух; поэтому свет от удаленных объектов может испытать преломление в нагретом слое воздуха и попасть после этого в глаз; при этом у вас возникает иллюзия того, что вы действительно видите удаленные объекты[4]. Показатель преломления — величина постоянная. Узкий луч света, проникая в стекло, меняет направление, а затем продолжает двигаться по прямой. Но предположим на мгновение, что мы в состоянии управлять показателем преломления, так чтобы в каждой точке стекла он мог постоянно изменяться заданным образом, Свет, двигаясь в таком новом материале, мог бы произвольным образом менять направление; путь луча в этой среде извивался бы, подобно змее. Если бы можно было управлять показателем преломления в метаматериале так, чтобы свет огибал некий объект, то объект этот станет невидимым. Для получения такого эффекта показатель преломления в метаматериале должен быть отрицательным, но в любом учебнике оптики сказано, что это невозможно, Впервые метаматериалы были теоретически предсказаны в работе советского физика Виктора Веселаго в 1967 г. Именно Веселаго показал, что эти материалы должны обладать такими необычными оптическими свойствами, как отрицательный показатель преломления и обратный эффект Допплера Для справки: «Эффектом Допплера» называют в общем случае изменение частоты волн, воспринимаемых наблюдателем (приемником волн), вследствие относительного движения источника волн и наблюдателя. Представим себе, что наблюдатель приближается со скоростью uн к неподвижному относительно среды источнику волн. При этом он встречает за один и тот же интервал времени больше волн, чем при отсутствии движения. Это означает, что воспринимаемая частота nс больше частоты волны, испускаемой источником. Метаматериалы представляются настолько странными и даже нелепыми, что первое время их практическая реализация считалась попросту невозможной. Однако в последние несколько лет метаматериалы были-таки получены в лаборатории, что вынудило физиков заняться уточнением теории в учебниках по оптике. Хотя настоящий плащ-невидимка уже не противоречит известным законам природы — а с этим в настоящий момент соглашается большинство физиков, — ученым предстоит преодолеть еще много сложных технических препятствий, прежде чем эту технологию можно будет распространить на работу с видимым светом, а не только с микроволновым излучением. Однако недавно группа ученых под руководством Владимира Шалаева показала, что материалы с отрицательным коэффициентом преломления, в которых практически нет потерь, реально создавать в оптическом диапазоне длин волн. По своей структуре метаматериалы, созданные в Университете Пердью, напоминают рыбацкую сеть, ячейки которой состоят из серебра и окиси алюминия. «Создание и использование метаматериалов только начинается. Это задача новой области науки - трансформационной оптики. Можно создавать пространственное распределение диэлектрической и магнитной проницаемости - и проделывать различные трюки со светом», - сказал Шалаев. И далее: «Метаматериалы позволяют» привести» свет к наномасштабу и далее им манипулировать. К примеру, работы в соответствующей области нанотехнологий - нанофотонике - позволят создавать устройства, гораздо быстрее обрабатывающие информацию, чем существующие компьютеры. Можно заставить свет огибать нужную часть пространства - и тогда получится шапка-невидимка»[5] «Герберт Уэллс, создавая своего человека-невидимку, сформулировал проблему почти с научной точностью», - сказал ученый. Однако, по его мнению, в трансформационной оптике есть гораздо более интересные вещи. Можно, к примеру, создать оптический аналог черной дыры - такую область пространства, которая будет затягивать в себя свет. Можно «заставить» свет концентрироваться в отдельной точке пространства. И уж совсем фантастично то, что метаматериалы позволяют (правда, пока теоретически) моделировать различные задачи космологии[6]. 2 Структура метаматериалов Рассмотрим несколько подробнее один из метаматериалов, предназначенных для работы в микроволновой области спектра. Это - композит, состоящий из ячеек, каждая из которых содержит четыре спирали, ориентированные так, как это изображено на рисунке 5. Спирали L1 и L2 закручены в сторону, противоположную спиралям L3 и L4. Магнитное поле волны возбуждает в такой ячейке суммарный магнитный момент за счёт сложения моментов в спиралях L2 и L4. Разное направление закрученности необходимо для устранения вращения плоскости поляризации, вызванного эффектом киральности. В связи с тем, что размер ячейки много меньше длины волны, коэффициент киральности ячейки в среднем равен нулю. Электрическое поле возбуждает электрический дипольный момент, не возбуждая магнитного. Для создания объёмного материала нужна ячейка как минимум из восьми спиралей. В этом случае оси четырёх дополнительных спиралей должны быть ортогональны плоскости рисунка. Поведение диэлектрической и магнитной проницаемости образца носит ярко выраженный резонансный характер. Структура другого метаматериала изображена на рисунке 6. Система разорванных колец предназначена для возбуждения магнитного момента, а система штырей (медные проволоки) -для возбуждения дипольного момента. Такая система была впервые использована для демонстрации отрицательного преломления в метаматериалах[7]. Недавно мы совершенно неожиданно обнаружили описание метода создания искусственных магнетиков и отрицательного значения магнитной проницаемости композита с помощью системы разорванных колец, нагруженных ёмкостью, в известной специалистам монографии С. А. Щелкунова и Г. Фриса, изданной в 1952 г. В этой монографии приведены соответствующие формулы, мало изменившиеся в современных работах, и даны рекомендации по практическому использованию таких композитов. К сожалению, наши попытки убедить иностранных учёных ссылаться на работу С.А. Щелкунова и Г. Фриса встречают молчаливое сопротивление. В наши дни возможность создания метаматериалов с отрицательным преломлением, соответствующим отрицательным значениям диэлектрической и магнитной проницаемости, не вызывает сомнения у большинства специалистов. Эксперименты убедительно демонстрируют явление отрицательного преломления в микроволновой области спектра. Известно множество предложений по созданию устройств, основанных на явлении отрицательного преломления, часть из которых уже реализована. К особому классу метаматериалов можно отнести так называемые метаплёнки. В них резонансные включения плоской формы, нанесенные на тонкий диэлектрический слои (или же отверстия специальной формы в тонком проводящем слое), образуют резонансную систему, которая служит частотным фильтром для электромагнитной волны. Эта обширная область прикладных исследований связана с созданием частотно-селективных поверхностей, например обтекателей для современных стелс-самолётов[8]. Создание такого обтекателя для самолёта пятого поколения F-22, по мнению американских специалистов, было одной из сложнейших научных и технологических задач. 3 Создание метаматериалов Отрицательные ε или μ получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно. Если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля[9]. Ключ к такого рода отрицательной реакции — резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном разрезном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи. Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной ε, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной μ. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго[10]. Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную ε, а кольца с разрезами — отрицательную μ. В результате должен был получиться отрицательный показатель преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала. Предположение Веселаго стало реальностью: материал с отрицательным показателем преломления был, наконец, получен. 4 Законы геометрической оптики Чаще всего о коэффициенте преломления материала вспоминают тогда, когда рассматривают эффект преломлении света на границе раздела двух оптических сред. Данное явление описывается законом Снеллиуса: n1·sina = n2·sinβ (1) где а - угол падения света, пришедшего из среды с показателем преломления n1, а β - угол преломления света в среде с показателем преломления n2. метаматериал преломление оптика композитный Для всех сред, которые могут быть найдены в природе, лучи падающего и преломленного света находятся по разные стороны от нормали, восстановленной к границе раздела сред в точке преломления. Однако если формально подставить в закон Снеллиуса n2<0, лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали. Из геометрических построений следует, что лучи, исходящие от точечного источника, после прохождения пластины соберутся вновь в одну точку - в этом смысле пластина из левого материала подобна линзе. Тем не менее, стоит заметить, что такая пластина существенно отличается от линзы хотя бы тем, что параллельный пучок лучей после прохождения через неё так и останется параллельным. Так же, фокусироваться будут только лучи, идущие от источников, находящихся на сравнительно небольшом расстоянии. Так, например, в случае идеальной левой среды с ε=-1 и μ=-1 пластина создаст трехмерное действительное изображение всех точек предмета, расположенных на расстоянии не более чем толщина пластины[11]. |