Слайд 2
Метаматериалы — это композитные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.
Введение:
Слайд 3
В 1960 годах Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления.
Световые волны в них должны двигаться против направления распространения луча и вообще вести себя удивительным образом, линзы же из этих материалов -- обладать волшебными свойствами и непревзойденными характеристиками.
Однако у всех известных веществ показатель преломления положителен: за нескольких лет интенсивных поисков Веселаго не нашел ни одного материала с подходящими электромагнитными свойствами, и его гипотеза была забыта.
О данной теории начали вспоминать в начале 21 века. Благодаря последним достижениям в области материаловедения идея Веселаго была возрождена.
Электромагнитные свойства веществ определяются особенностями образующих их атомов и молекул, обладающих довольно узким диапазоном характеристик.
Поэтому свойства миллионов известных нам материалов не так уж разнообразны. Однако в середине 1990-х гг. ученые из Центра технологии материалов им. Маркони в Англии занялись созданием метаматериалов, которые состоят из макроскопических элементов и рассеивают электромагнитные волны совсем не так, как любые известные вещества. В 2000 г.
Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления.
|
|
Поведение света в нем оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Экспериментаторы уже занимаются разработкой технологий, в которых используются удивительные свойства метаматериалов, и создают суперлинзы, позволяющие получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света.
С их помощью можно было бы делать микросхемы с наноскопическими элементами и записывать на оптические диски огромные объемы информации.
В своей основополагающей работе В. Г. Веселаго показал, что рефракция — отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред — изменяется в материалах с отрицательным коэффициентом преломления. В условиях, когда оба материала имеют одинаковый знак коэффициента преломления, волна, пересекая границу раздела, появляется на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно к этой границе (нормаль к поверхности). Однако, если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой — отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали, с которой она подходила к границе раздела.
Слайд 4
Также особым свойством метаматериалов является характерная дисперсия волн, распространяющихся в такой среде. Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид
Среды, у которых ε и µ одновременно отрицательные, электрический E, магнитный H и волновой вектор k образуют левую систему векторов. Такие среды называют” левосторнними“. В англоязычной литературе описанные материалы называют right- и left-handedmaterials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые) материалы соответственно.
|
|
Слайд 5
На рис. 1 показаны дисперсионные зависимости частоты от волнового вектора. Часть рисунка, отвечающая положительным значениям волнового вектора, содержит дисперсионную кривую, которая соответствует правосторонней линии передачи при положительных фазовой и групповой скоростях распространения волн. Часть рисунка, отвечающая отрицательным значениям волнового вектора, содержит дисперсионную кривую, которая соответствует левосторонней линии передачи при отрицательной фазовой и положительной групповой скоростях.
Слайд 6
Формулы, которыми определяется групповые скорости: 
Виды и классификация метаматериалов
Слайд 7
Метаматериалы принято классифицировать по степени преломления:
Одномерные
В них степень преломления постоянно меняется лишь в единственном направлении пространства. Подобные материалы выполнены из слоев элементов, расположенных параллельно и имеющих отличающиеся степени преломления. Они способны демонстрировать уникальные свойства лишь в единственном направлении пространства, которое перпендикулярно указанным слоям.
Двухмерные
В них степень преломления постоянно меняется лишь в 2-х направлениях пространства. Подобные материалы в большинстве случаев выполнены из прямоугольных структур, имеющих преломление m1, и располагающихся в среде с преломлением m2. В то же время элементы с преломлением m1 располагаются в 2-х мерной решетке с кубической основой. В результате подобные материалы способны демонстрировать свои свойства в 2-х направлениях пространства. Но двухмерность материалов не ограничивается только прямоугольником, она может быть создана с помощью круга, эллипса или иной произвольной формой.
|
|
Трехмерные
В них степень преломления постоянно меняется в 3-х направлениях пространства. Подобные материалы условно можно представить в виде массива областей в объемном значении (эллипс, куб и так далее), расположенных в трехмерной решетке.
Метаматериалы также делятся на:
Проводники.
Они перемещают квазичастицы на значительные длины, но с небольшими потерями.
Диэлектрики.
Представляют зеркала почти идеального состояния.
Полупроводники.
Это элементы, которые могут, к примеру, отражать квазичастицы только некоторой длины волны.
Сверхпроводники.
В этих материалах квазичастицы могут перемещаться почти на неограниченные расстояния.
К тому же существуют материалы:
Нерезонансные.
Резонансные.
Отличие резонансных материалов от элементов нерезонансного типа в том, что у них возникает диэлектрическая проницаемость лишь на определенной частоте резонанса.
Слайд 8
Метаматериалы могут создаваться с разными электрическими свойствами. Поэтому их делят по их относительной проницаемости:
1) DNG, то есть doublenegative — проницаемости отрицательные
2) DPS, то есть doublepositive — проницаемости положительные
3) Hi-Z, то есть highimpedancesurfaces (высокоомные поверхности)
4) SNG, то есть singlenegative — материалы смешанного типа
5) DZR, то есть doublezero – материал имеет проницаемость равной нулю
Строение метаматериалов:
Слайд 9
Строительными блоками метаматериалов являются электромагнитные резонаторы, обычно в виде металлических полосок, спиралей, разорванных колец. (рис. 2)
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. 3)