Metamateriał

Metamateriał w postaci sieci z otworami o wielkości kilkuset nanometrów pozwala załamywać i odwracać kierunek światła widzialnego w dowolny zaplanowany przez konstruktorów sposób.

Metamateriał (z gr. μετά meta – ponad, poza) – 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

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 na powierzchniowych plazmonach) 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

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 jak i magnetycznej Wiele metali (np. srebro i złoto) ma ujemną wartość dla światła widzialnego. Materiały dla których jedna z wartości lub jest ujemna są nieprzejrzyste i mają metaliczny połysk (tworzony przez powierzchniowe plazmony).

Choć wartości i opisują w pełni optyczne właściwości materiału, w praktyce używa się tylko jednego parametru: współczynnika załamania Ponieważ i są zwykle dodatnie, przyjmuje się, że również jest dodatnie.

Specjalnie zaprojektowane metamateriały mogą mieć obie wartości i ujemne. W takiej sytuacji wartość uznaje się za ujemną. Rosyjski fizyk Wiktor Wiesiełago pokazał, że takie materiały są przejrzyste. Mają one specyficzne własności:

  • załamują światło zgodnie z prawem Snelliusa dla negatywnej wartości refrakcji, czyli kąt załamania ma ujemną wartość (patrz diagram),
  • efekt Dopplera jest odwrócony (światło ze źródła poruszającego się w kierunku obserwatora ma obniżoną częstotliwość),
  • promieniowanie Czerenkowa jest wysyłane w przeciwną stronę niż poruszający się obiekt,
  • prędkość grupowa fali ma zwrot przeciwny do prędkości fazowej,
  • światło ma tym większą długość fali im wyższą częstotliwość (odwrotnie niż w zwykłych materiałach).

Modele teoretyczne

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, 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, s. 2702–2712, 2002.
  3. C. Caloz, 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, s. 412–415 (doi 10.1109/APS.2002.1016111).
  4. A. Grbic, G.V. Eleftheriades, Overcoming the diffraction limit with a planar left-handed transmission-line lens, „Physical Review Letters”, vol. 92, no. 11, s. 117403, March 19, 2004.
  5. New superlens opens door to nanoscale optical imaging, high-density optoelectronics | EurekAlert! Science News, www.eurekalert.org [dostęp 2017-11-25] (ang.).
  6. [1]
  7. News | Duke Pratt School of Engineering, www.pratt.duke.edu [dostęp 2017-11-25] (ang.).
  8. Metamaterials found to work for visible light | EurekAlert! Science News, www.eurekalert.org [dostęp 2017-11-25] (ang.).
  9. Invisibility ‘cloak’ moves closer to reality - Technology & Science - CBC News, www.cbc.ca [dostęp 2017-11-25] (ang.).
  10. V.G. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ, „Sov. Phys. Uspekhi”, 1968, 10(4), s. 509–514 (doi 10.1070/PU1968v010n04ABEH003699).

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie

Left-handed.png
Refrakcja na lewoskrętnym materiale.
3-D fishnet metamaterial.jpg
Caption - A schematic of the first 3-D "fishnet" metamaterial that can achieve a negative index of refraction in visible and near-infrared wavelengths. Scientists at the University of California, Berkeley, have for the first time engineered 3-D materials that can reverse the natural direction of visible and near-infrared light, a development that could help form the basis for higher resolution optical imaging, nanocircuits for high-powered computers.