Материалы с отрицательным показателем преломления. Метаматериалы и их применение. Левые и правые

Метаматериалы материалы,природные свойства которых обусловлены не столько природными физическими свойствами, сколько периодической микроструктурой создаваемой человеком. Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Микроволны с частотами около 10 ГГц ведут себя в таком кубе необычно, потому что для них куб имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки 2,68 мм Суперлинза со сверх разрешением радиодиапазона 2/24

Свойства и строение метаматериалов Строительными блоками метаматериалов являются электромагнитные резонаторы, обычно в виде металлических полосок, спиралей, разорванных колец. (рис. 1) Изменяя форму, размеры, взаимное расположение резонаторов, можно направленно формировать свойства метаматериалов. Свойства метаматериалов существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяются особым упорядочением и структурой компонентов (рис. 2) рис. 1 рис. 2 3/24

История создания В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провел первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривленной конфигурации. В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду. Первые упоминания о метаматериалах с отрицательным коэффициентом преломления начинаются с упоминания работы советского физика Виктора Веселаго, опубликованной в журнале "Успехи физических наук" за 1968 г. 4/24 Джагадис Чандра Бозе Виктор Веселаго

Отрицательный показатель преломления 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. Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны – это любой металл при частотах выше плазменной частоты. В этом случае ε

Отрицательный показатель преломления Для достижения μ

Видимый спектр Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил -0,6. 7/24 Молекула ДНК

Применение Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. Спектр электромагнитных метаматериалов, разрабатываемых в настоящее время огромен: С помощью метаматериалов можно создавать устройства, создание которых невозможно только при использовании природных материалов. отрицательный коэффициент преломления изображение высокой четкости плащ-невидимка нано-оптические и квантовые информационные технологии радиочастотные, СВЧ, терагерцевые, оптические метаматериалы работы в соответствующей области нанотехнологий - нанофотонике - позволят создавать устройства, гораздо быстрее обрабатывающие информацию, чем существующие компьютеры. Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведкимаскировкирадиоразведки 8/24

Используя метаматериалы можно не только существенно улучшить параметры известных электромагнитных приборов, но и создать принципиально новые приборы: от сверх линз с разрешением много меньшим длины волны излучения до экранов невидимости. Большинство практических применений - от экранов невидимости до сверх линз и поляризаторов требуют создания метаматериала с прецизионными трехмерными элементами. 9/24

ДОСТИЖЕНИЯ: 1. Суперлинза (материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики.Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела.) 2. Видение сквозь стены. (новый класс искусственных материалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого диапазона.) 3. Блеф-стена. (создаёт иллюзию отсутствия реального объекта, то "ворота" формируют впечатление, что объект (в данном случае стена) существует там, где на деле его нет (то есть имеется открытый канал). 4. Антизеркало (при отражении электромагнитной волны оно обращает магнитную составляющую колебаний, но не трогает электрическую. Так что в сравнении с зеркалом обычным, это можно было бы назвать анти зеркалом.) 5. Плащ-невидимка. 10/24

Фотонный кристалл Фотонный кристалл – это периодическая структура, позволяющая изменять направление излучения и выделять (пропускать или поглощать) излучение с определенной частотой. Идея фотонного кристалла была предложена в 1987 году Эли Яблоновичем Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов. 11/24

Фотонный чип Устройство, основанное на квантовой запутанности фотонов, в котором производятся всевозможные манипуляции с квантовым состоянием запутанных фотонов и с высокой точностью производятся измерения полученных результатов. Цель – создание компактных высокоскоростных устройств обработки информации, которые могут успешно справляться с входными потоками, скоростью более чем 100 гигабит в секунду. 12/24 Квантовые запутанности фотонов

14/24

Гиперболические метаматериалы Характеристики: Высокая степень анизотропности Изготавливаются из переходных металлов и диэлектрических слоев Обладают свойствами металла и диэлектрика Дисперсия света в таких материалах становится гиперболической Могут повысить плотность фотонах состояний, пропорциональную скорости радиоактивного распада Большое их количество вызывает потери Метаматериалы с гиперболической дисперсией.Примеры 3D HMMs с высокой степенью анизотропности. Изготовлены из плазмонной нанопроволки(А) и переходных слоев металла и диэлектрика(В). k(x) и k(0)-тангенциальные компоненты нормированного волнового вектора;Ex,Ey,Ez-это диагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости свободного пространства,-длина волны в свободном пространстве. (С)Имитация излучения в HMM и спектра мощности в HMM по (вверху)сравнению с обычными диэлектриками(внизу) 15

Метаповерхности Метаповерхности это очень тонкие пленки метаматериалов, содержащих слои оксидов или двумерную структуру мельчайших субволновых антенн. Метаповерхности создаются с использованием электронно-пучковой литографии или резки сфокусированным ионным пучком, совместимых с существующими полупроводниковыми технологиями и процессами. В последнее время создаются из оксидов цинка и индия, легированного алюминия и галлия. У этих металлов и окисей металлов меньшие оптические потери и более широкие возможности для модуляции в уже существующие оптические системы. Метаповерхность 16/24

Свойства мета поверхностей характеризуются малыми потерями широкий рабочий спектр контроль характеристик света(частота, фаза, импульс, угловой момент и поляризация) эффективная модуляции света генерация световых импульсов заданной формы, управления распространением световых пучков в пространстве диагностика структур с нано точностью 17/24 Изображения мета поверхности, полученное при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

18/24 Справа на рисунке (часть Б) схематически изображена так- называемая "гиперболическая мета поверхность" - миниатюрная металлическая решетка, используемая для увеличения скорости испускания фотонов квантовыми излучателями. Область ее применения - квантовые информационные системы, включая квантовые компьютеры, потенциально намного более мощные, чем современные компьютеры Слева на рисунке (часть A) показана матрица нано-антенн, представляющая собой пример плазмонной мета поверхности. Ее использование возможно в ряде приложений, включая применение ее в качестве гиперлинзы с целью повышения разрешающей способности оптических микроскопов, в некоторых случаях до 10 раз.

Гиперболические мета поверхности Характеристики: Малые,восполнимые потери Широкий контроль над плотностью фотонных состояний Гиперболические мета поверхности.(А) Иллюстрация увеличения скорости излучения квантовых источников на мета поверхности,состоящей из металлической решетки на диэлектрической подложке (В и С)Иллюстрация поверхностных гиперлинз без усиления(В) и с усилением (С).Два рассеивателя находятся на верхней части решетки и обладают субволновым разделением 19/24

Применение мета поверхностей Могут быть интегрированы в более сложные схемы: микропроцессор компьютера миниатюрные многофункциональные приборы применяемые в биологии и медицине (Чтобы «увидеть насквозь» человека или предмет, в будущем не придется прибегать к небезвредному рентгену. Метаматериалы позволят работать с любыми длинами волн – и для любых целей). мета поверхности также можно использовать как широкодиапазонный инфракрасный химический датчик метаструктуры могут быть использованы для создания компьютерных голограмм Применение в квантовых информационных технологиях Фото разработанной учеными металинзы под микроскопом. Один из примеров компьютерной голограммы 20/24

Вывод Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. отрицательный коэффициент преломления изображение высокой четкости маскировочные технологии нано-оптические и квантовые информационные технологии компьютерные технологии на основе фотонного чипа В каждой из областей ученые добились немалых достижений, но пока технологии на основе метаматериалов не получили широкого использования в обществе. Основная проблема во всех областях-миниатюризация технологий. 21/24

Список литературы Планарная фотоника и мета поверхности (Килдышев А.В.,Шалаев В.М) - Метаматериалы или дилемма «невидимости» Отриц. показатель преломления Метаматериалы для видимого спектра применение метаматериалов 22/24

Отношение скорости света с в вакууме к фазовой скорости v света в среде:

называется абсолютным показателем преломления этой среды.

ε - относительная диэлектрическая проницаемость,

μ - относительная магнитная проницаемость.

Для любой среды, кроме вакуума, величина n зависит от частоты света и состояния среды (её температуры, плотности и т.д.). Для разреженных сред (например, газов при нормальных условиях) .

Чаще всего о коэффициенте преломления материала вспоминают тогда, когда рассматривают эффект преломлении света на границе раздела двух оптических сред.

Данное явление описывается законом Снеллиуса :

где α - угол падения света, пришедшего из среды с показателем преломления n 1 , а β - угол преломления света в среде с показателем преломления n 2 .

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 n 2 <0 , реализуется следующая ситуация: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали.

На теоретическую возможность существования уникальных материалов с отрицательным показателем преломления указал советский физик В.Веселаго почти 40 лет назад. Дело в том, что коэффициент преломления связан с двумя другими фундаментальными характеристиками вещества, диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ , простым соотношением: n 2 = ε·μ . Несмотря на то, что данному уравнению удовлетворяют как положительные, так и отрицательные значения n, ученые долго отказывались верить в физический смысл последних - до тех пор, пока Веселаго не показал, что n < 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0 .

Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны - это любой металл при частотах выше плазменной частоты (при которой металл становится прозрачным). В этом случае ε < 0 достигается за счет того, что свободные электроны в металле экранируют внешнее электромагнитное поле. Гораздо сложнее создать материал с μ < 0 , в природе такие материалы не существуют.

Прошло 30 лет, прежде чем английский ученый Д.Пендри (John Pendry) в 1999 г. показал, что отрицательная магнитная проницаемость может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L , а зазору соответствует эффективная емкость С , систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой ω 0 ~ 1/(LC) -1/2 . При этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω 0 и отрицательным при ω > ω 0 .

Таким образом, возможны системы с отрицательным откликом как на электрическую, так и на магнитную компоненту электромагнитного излучения. Объединить обе системы в одном материале впервые удалось американским исследователям под руководством Д.Смита (David Smith) в 2000г. Созданный метаматериал состоял из металлических стержней, ответственных за ε < 0 , и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0 .

Несомненно, такую структуру сложно назвать материалом в традиционном смысле этого слова, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Между тем, данная структура «оптимизирована» для микроволнового излучения, длина волны которого значительного больше отдельных структурных элементов метаматериала. Поэтому с точки зрения микроволн последний также однороден, как например, оптическое стекло для видимого света. Последовательно уменьшая размеры структурных элементов можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцового (от 300 ГГц до 3 ТГц) и инфракрасного (от 1,5 ТГц до 400 ТГц) диапазонов спектра. Ученые ожидают, что благодаря достижениям современных нанотехнологий в самое ближайшее время будут созданы метаматериалы и для видимого диапазона спектра.

Практическое использование таких материалов, в первую очередь, связано с возможностью создания на их основе терагерцовой оптики, что, в свою очередь, приведет к развитию метеорологии и океанографии, появлению радаров с новыми свойствами и средств всепогодной навигации, устройств дистанционной диагностики качества деталей и систем безопасности, позволяющих обнаружить под одеждой оружие, а также уникальных медицинских приборов.

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Метаматериалы и нанотехнология Физики научились делать материалы с удивительными свойствами. Явления полного внутреннего отражения света в прозрачных средах, возникающие в тонких плёнках из материалов, созданных с применением нанотехнологий, могут быть использованы для управления сверхкороткими лазерными и радиоимпульсами. А покрытия из этих материалов, нанесённые на предмет, могут сделать его «невидимым».

2 слайд

Описание слайда:

Отрицательный показательпреломления. Преломление света на границе с материалом, имеющим отрицательный показатель преломления. A. В природе при пересечении границы двух сред падающий на неё наклонно луч всегда продолжает своё движение в исходную сторону, просто немного под другим углом – большим или меньшим, в зависимости от соотношения коэффициентов преломления. B. При пересечении границы с метаматериалом, имеющим отрицательный коэффициент преломления, луч как будто «отражается» от перпендикуляра в точке пересечения – то есть он продолжает движение внутрь метаматериала, но если он падал сверху слева, дальше вниз он пойдёт не направо, а обратно налево.

3 слайд

Описание слайда:

Закон Снеллиуса: Если показатель преломления отрицательный, то луч преломляется в другую сторону

4 слайд

Описание слайда:

«Противоестественно?». В природе материалов с отрицательным коэффициентом преломления нет, поэтому картинки, иллюстрирующие работу таких сред, выглядят «противоестественно».

5 слайд

Описание слайда:

Необходимо, чтобы элементы метаматериала имели размер 10-100 нм (много меньше длины волны).

6 слайд

Описание слайда:

Оптический микроскоп Физики из Манчестера и Сингапура сконструировали оптический микроскоп с рекордной разрешающей способностью, который позволяет различать 50-нанометровые детали изображения. Новый «наноскоп» работает по тому же принципу, но не использует метаматериалы, место которых занимают простые прозрачные сферы диаметром в несколько микрометров, выполненные, к примеру, из диоксида кремния. Проведённые опыты убедительно доказывают, что размещение таких сфер на поверхности образцов значительно улучшает качество изображений Схема и микроснимок "рыбацкой сети",

7 слайд

Описание слайда:

Ученые создали новый \"плащ-невидимку\" Предложен новый дизайн плаща-невидимки: он состоит из стеклянных цилиндров и способен «спрятать» металлический стержень диаметром 15 мкм. Прятаться за таким стеклом, правда, можно будет только от инфракрасного глаза: невидимость в более широком диапазоне длин волн пока обеспечить не удается.

8 слайд

Описание слайда:

Шапка-невидимка До сих пор шапка-невидимка была уделом сказочников и фантастов. Однако с недавних пор все изменилось, и поиск "шапки-невидимки" стал излюбленным занятием некоторых физиков - новым перспективным направлением науки. Дуэт публикаций в Science и Nature описывает объёмные наноматериалы, в которых лучи света гнутся в «неправильную» сторону и при этом не поглощаются до такой степени, что на выходе ничего не остаётся. До сих пор именно сильное поглощение было одной из главных проблем.

МОСКВА, 26 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Порой достижения современных технологий можно принять за волшебство. Только вместо магии работает точная наука. Одними из областей исследований, результаты которыхмогли бы вполне послужить иллюстрацией свойств "сказочных атрибутов", являются разработка и создание метаматериалов.

Математики нашли способ превратить метаматериал в "световой компьютер" Математики выяснили, что свойства метаматериалов можно в теории изменить так, что набор из нескольких разных кусочков таких соединений сможет производить сложные математические операции с одиночными лучами света.

С чисто физической точки зрения метаматериалы представляютсобой искусственно сформированные и особым образом выстроенныеструктуры, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами.Последние определяются даже нехарактеристиками составляющих их веществ, а именно структурой.Ведь из одинаковых материалов можно построить похожие внешне дома, но один будет обладать отличной звукоизоляцией, а в другом вы будете слышать даже дыхание соседа из квартиры напротив. В чем же секрет? Только в умении строителя распоряжаться предоставленными средствами.

На данный момент материаловеды уже создали немало структур, свойства которых не встречаются в природе, хотя и не выходят за рамки физических законов. Например, один из созданных метаматериалов может управлять звуковыми волнами так ювелирно, что те удерживают в воздухе небольшой шарик. Он состоит из двух решеток, собранных при помощи кирпичиков, заполненных термопластовыми стержнями, которые уложены "змейкой". Звуковая волна фокусируется словно свет в линзе, и исследователи считают, что данное устройство позволит им развить управление звуком до возможности изменять его направление, как сейчас меняют ход светового луча при помощи оптики.

Другой метаматериал может перестраивать сам себя. Объект из него собирается без помощи рук, ведь изменение формы можно запрограммировать! Структура такого "умного" материала состоит из кубов, каждую стенку которых составляют два внешних слоя из полиэтилентерефталата и один внутренний из двусторонней клейкой ленты. Эта конструкция позволяет изменить форму, объем и даже жесткость объекта.

Но самыми удивительными свойствами обладают оптические метаматериалы, которые могут менять визуальное восприятие реальности. Они "работают" в диапазоне волн, которые видит человеческий глаз. Именно из таких материалов ученые создали ткань, из которой можно изготовить плащ-невидимку.

Правда, пока невидимым в оптическом диапазоне можно сделать только микрообъект.

Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказалеще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углупреломления , лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего "чудесный" плащ.

Последнее достижение в создании оптических метаматериалов принадлежит российским ученым из НИТУ "МИСиС". Причем "ингредиенты" использовались самые обычные — воздух, стекло и вода. Работа ученых удостоилась публикации в одном из самых высокорейтинговых журналов мира Scientific Reports издательского дома Nature . , каждый такой образец может стоить тысячи евро, — подчеркнул научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС", кандидат технических наук Алексей Башарин.— К тому же вероятность ошибки при формовании такой системы очень высока даже с применением самых высокоточных инструментов.Однако если создать более крупномасштабный материал, в котором будут не оптические (400-700 нм), а радиоволны(длиной в 7-8 см), физика процесса от такого масштабирования не изменится, зато технология их создания станет проще."

Изучая свойства созданных структур, авторы работы показали, что у такого типа веществ есть сразу несколько практических применений.Прежде всего это сенсоры сложных молекул, так как последние, попадая в поле метаматериала, начинают светиться. Таким способом можно определять даже единичные молекулы, что потенциально может существенно отразиться на развитии, например, судебной криминалистики. Кроме того, такой метаматериал можно использовать как светофильтр, выделяя из падающего излучения свет определенной длины.Еще он применим как основа для создания сверхнадежной магнитной памяти, потому что структура ячеек метаматериала не дает им перемагничивать друг друга и тем самым терять информацию.