Метаматериалы или дилемма «невидимости»

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Метаматериалы или дилемма «невидимости». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Доклад  выполнил

Боровков  Иван.

ДКВ-101. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. Определение. Использование.

В науке нечасто  приходится пересматривать основы какой-либо дисциплины. Оптика как раз  составляет исключение благодаря созданию метаматериалов.

Владимир  Шалаев, член консультативного научного совета фонда "Сколково", профессор  Университета Пердью (США). 
 

    Когда мы говорим о ранее неизвестном  предмете, его свойствах и преимуществах, разумно в самом начале дать ему определение. В докладе я равномерно распределил больше десяти определений метаматериала, по-разному раскрывающих природу данного субъекта, а самое главное позволяющих читателю более полно уяснить о чем идет речь.

    Я приведу базовые характеристики метаматериалов, примеры невероятных вещей, которые стали возможными благодаря ним, а также примеры вещей фантастических, которые станут обыденностью в будущем. Поехали.

Метаматериа́л — материал, природные свойства которого обусловлены не столько природными физическими свойствами, сколько периодической микроструктурой создаваемой человеком.

Метаматериалы синтезируются 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.).

Метаматериалы не существуют в природе. Это исключительно  рукотворные объекты, позволяющие  за счет созданной неоднородности их структуры управлять свойствами света и добиваться захватывающих эффектов.

Главная особенность метаматериалов - отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Первое теоретическое обоснование возможности их существования было дано советским физиком Виктором Веселаго в 1968 году. Любопытно, что статья Веселаго на эту тему в журнале "Успехи физических наук" стала наиболее цитируемой публикацией в истории этого издания.

Долгое  время "работающие" метаматериалы в силу ряда ограничений получить не удавалось. 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», -  сказал Шалаев.

"Можно  создавать пространственное распределение  диэлектрической и магнитной  проницаемости - и проделывать  различные трюки со светом", - пояснил докладчик.

Метаматериалы позволяют, по словам ученого, "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", - привел наиболее популярный пример использования метаматериалов Шалаев.

"Герберт  Уэллс, создавая своего человека-невидимку,  сформулировал проблему почти  с научной точностью", - сказал ученый.

Однако, по мнению специалиста, 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.

Основа  эффекта.

     Итак, интригующее вступление и оптимистичный  взгляд одного из ведущих нанотехнологов мира плавно подвели нас к теоретической части описания эффекта отрицательного показателя преломления света, коим обладают вышеупомянутые метаматериалы. 

Прохождение света через границу  сред у одной из которых показатель преломления положителен n1 > 0, другой — отрицателен n2 < 0 .

Прохождение света через границу  сред, у которых  оба показателя преломления  положительны n1 > 0 n2 > 0.

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет  вид:

k² − (ω / c)²n² = 0            (1)

где k — волновой вектор, ω — частота волны, c — скорость света, n² = εμ — квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической ε и магнитной μ восприимчивости среды никак не отразится на этих соотношениях.

Уравнение (1) полученно на основе теории Максвелла. Для сред у которых диэлектрическая  ε и магнитная μ восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический и магнитный и волновой образуют систему т. н. правых векторов.

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых ε, μ — одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический , магнитный и волновой вектора образуют систему левых векторов.

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга  , и который равен . Вектор всегда образует с векторами , правую тройку. Таким образом, для правых веществ и направлены в одну сторону, а для левых — в разные. Так как вектор совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект.

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у нее частотной  дисперсии. Если одновременно ε < 0, μ < 0, то энергия волны W = εE² + μH² будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсией и .

Примеры распространения волны в левой среде. 

Двояковыпуклая  линза , сделанная  из материала с  отрицательным показателем  преломления, расфокусирует  свет, а двояковогнутая - фокусирует.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Плоскопараллельная  пластина из материала  с отрицательным  показателем преломления  работает как фокусирующая линза. Красная точка изображает источник света.                   
 
 

              Отражение луча, распространяющегося в среде с n < 0, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощаюшие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде. 

Достижения. 

1. Суперлинза.

 

Джон  Пендри и его коллеги в Physical Review Letters утверждают, что в материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету т.к. оно формируется без затухающих (evanescent) волн. В левой среде затухающие волны не затухают, даже наоборот их амплитуда увеличивается при удалении волны от предмета, поэтому изображение формируется с участием затухающих волн, что может позволит получать изображения с лучшим, чем дифракционный предел, разрешением.

Первая  экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. Эксперимент проводился с микроволновыми частотами. В оптическом диапазоне суперлинза была реализована в. Это была линза не использующая негативную рефракцию, однако, для усиления затухающих волн использовался тонкий слой серебра. Для создания линзы используются чередующиеся нанесенные на подложку слои серебра и фторида магния, на которых затем нарезалась нанорешетка. В результате создавалась трехмерная композиционная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области. Во втором случае, метаматериал создавался с помощью нанопроволок, которые электрохимически выращивались на пористой поверхности оксида алюминия. 

2. Видение сквозь стены.

 

Группа  учёных из университета Калифорнии (University of California) в кооперации с исследователями из ряда научных учреждений США и Британии разработала новый класс искусственных материалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого диапазона.

Этот  диапазон лежит между инфракрасным и микроволновым спектром и вплоть до последних лет был "terra incognita". Ведь для обычных лазеров такие  частоты излучения слишком низки, а для микроволновых устройств — слишком высоки.

Лишь  в последние несколько лет  учёным удалось получить терагерцевые источники излучения.

Для этого  пришлось скомбинировать последние  достижения сразу в нескольких областях: полупроводники, лазеры с очень высокой  частотой следования сверхкоротких (например, фемтосекундных) импульсов, ускорители частиц и так далее.

Выяснилось, что терагерцевые лучи сочетают высокую  проникающую способность, подобную таковой у радиоизлучения, с удобством  фокусировки, сходным со световыми  лучами.

Сразу обозначились сферы применения новой технологии: метеорология и океанография, радары с новыми свойствами, всепогодная навигация, дистанционное обнаружение оружия под одеждой, проверка качества деталей, наконец — медицина, где безопасные для организма терагерцевые волны могут составить мощную конкуренцию рентгену.

При этом изображение, полученное в терагерцевых лучах отличается высокой контрастностью, даже когда составные части просвечиваемого  предмета имеют близкую плотность.

Возможность открытия была дана метаматериалом, разработанным калифорнийскими исследователями, состоящим из кварцевой пластины, на которую нанесено множество шаблонных медных элементов, названных разрезными кольцевыми резонаторами.

Каждый  из них составлен из двух концентрических  медных квадратов. В свою очередь, все квадраты имеют в своём периметре микроскопический разрыв.

При этом разрыв в большем квадрате находится  на противоположной стороне по отношению  к разрыву в меньшем квадрате.

Ширина  одного резонатора — примерно 50 микронов, меньше чем толщина человеческого волоса.