Metamaterial

El metamaterial  es un material compuesto , cuyas propiedades están determinadas no tanto por las propiedades de sus elementos constituyentes, sino por una estructura periódica creada artificialmente [1] [2] . Son ambientes formados artificialmente y especialmente estructurados con propiedades electromagnéticas o acústicas que son tecnológicamente difíciles de lograr o que no se encuentran en la naturaleza [3] [4] . Tales propiedades deben entenderse como valores especiales de los parámetros físicos del medio, por ejemplo, valores negativos de la permeabilidad dieléctrica ε y magnética μ, la estructuración espacial (localización) de la distribución de los valores de estos parámetros (en particular, el cambio periódico en el índice de refracción, como en los cristales fotónicos ), la capacidad de controlar los parámetros del entorno como resultado de influencias externas (metamateriales con permeabilidad dieléctrica y magnética controlada eléctricamente), etc. [5 ]

El prefijo "meta-" se traduce del griego como "fuera", lo que nos permite interpretar el término "metamateriales" como estructuras cuyas propiedades electromagnéticas efectivas van más allá de las propiedades de sus componentes constituyentes [3] [4] . Los metamateriales se sintetizan introduciendo varias estructuras periódicas con varias formas geométricas en el material natural original, que modifican la susceptibilidad dieléctrica y magnética χ del material original. En una aproximación muy aproximada, tales inserciones pueden considerarse como átomos extremadamente grandes introducidos artificialmente en el material inicial. El desarrollador de metamateriales durante su síntesis tiene la oportunidad de elegir (variar) varios parámetros libres (tamaños de estructuras, forma, período constante y variable entre ellos, etc.).

Propiedades

Una de las posibles propiedades de los metamateriales es un índice de refracción negativo (o del lado izquierdo) , que se manifiesta cuando la permeabilidad dieléctrica y magnética son simultáneamente negativas [3] [4] [6] .

Efectos básicos

La ecuación para la propagación de ondas electromagnéticas en un medio isotrópico tiene la forma:

(una)

donde  es el vector de onda,  es la frecuencia de la onda,  es la velocidad de la luz,  es el cuadrado del índice de refracción. De estas ecuaciones, es obvio que el cambio simultáneo de signos de la permeabilidad dieléctrica y magnética del medio no afectará estas relaciones de ninguna manera.

Medios isotrópicos "derecho" e "izquierdo"

La ecuación (1) se obtuvo sobre la base de la teoría de Maxwell . Para medios en los que las susceptibilidades dieléctrica y magnética del medio son simultáneamente positivas, tres vectores del campo electromagnético - eléctrico , magnético y ondulatorio - forman un sistema de los llamados. vectores correctos:

Dichos entornos, respectivamente, se denominan "derechos".

Los entornos en los que ,  son simultáneamente negativos se denominan "izquierdos". Para tales medios, los vectores eléctrico , magnético y de onda forman un sistema de vectores izquierdos.

En la literatura en idioma inglés, los materiales descritos pueden llamarse materiales para diestros y zurdos, o abreviados como RHM (derecha) y LHM (izquierda), respectivamente.

Transferencia de energía por ondas derecha e izquierda

El flujo de energía transportado por la onda está determinado por el vector de Poynting , que es igual a . Un vector siempre forma un triple recto con vectores . Por lo tanto, para las sustancias correctas y se dirigen en una dirección, y para la izquierda, en diferentes direcciones. Dado que el vector coincide en dirección con la velocidad de fase, está claro que las sustancias de la izquierda son sustancias con la llamada velocidad de fase negativa. En otras palabras, en sustancias zurdas, la velocidad de fase es opuesta al flujo de energía. En tales sustancias, por ejemplo, se observa el efecto Doppler inverso y las ondas hacia atrás .

Dispersión del entorno izquierdo

La existencia de un indicador negativo del entorno es posible si tiene una dispersión de frecuencia. Si al mismo tiempo , , entonces la energía de la onda será negativa (!). La única forma de evitar esta contradicción es si el medio tiene una dispersión de frecuencia y .

Ejemplos de propagación de ondas en el medio izquierdo

Superlente

John Pendry [7] y sus colegas en Physical Review Letters argumentan que es posible superar el límite de difracción de resolución de la óptica convencional en materiales con un índice de refracción negativo . En el entorno adecuado, el espacio de la imagen de la lente no es idéntico al objeto en sí, ya que se forma sin ondas amortiguadas . En el medio izquierdo, las ondas amortiguadas no decaen, por el contrario, su amplitud aumenta a medida que la onda se aleja del objeto, por lo que la imagen se forma con la participación de ondas amortiguadas, lo que puede permitir obtener imágenes con mejor resolución . que el límite de difracción .

La primera superlente demostrada experimentalmente con un índice de refracción negativo tenía una resolución tres veces mejor que el límite de difracción. El experimento se llevó a cabo con frecuencias de microondas [8] . En el rango óptico, la superlente se implementó en 2005 [9] [10] . Era una lente que no usaba refracción negativa, sino que se usaba una fina capa de plata para realzar las ondas evanescentes.

Más reciente[ aclarar ] Los avances en superlentes se revisan en CE&N [11] . Para crear una superlente, se utilizan capas alternas de plata y fluoruro de magnesio depositadas sobre un sustrato, sobre el que luego se corta una nanored. Como resultado, se creó una estructura compuesta tridimensional con un índice de refracción negativo en la región del infrarrojo cercano [12] . En el segundo caso, el metamaterial se creó utilizando nanocables, que se cultivaron electroquímicamente sobre una superficie de alúmina porosa [13] .

A principios de 2007 se anunció la creación de un metamaterial con índice de refracción negativo en la región visible. El índice de refracción del material a una longitud de onda de 780 nm fue −0,6 [14] .

Metasuperficies

El análogo bidimensional de los metamateriales son las metasuperficies. Las metasuperficies son particularmente adecuadas para controlar la luz, ya que tienden a tener menores pérdidas que los metamateriales a granel y son más fáciles de fabricar [15] .

Una metasuperficie utilizada como lente para la luz se llama metalens. Tiene un tamaño pequeño, una forma plana, un espesor no superior a un micrómetro, cubierto de nanoestructuras en forma de protuberancias o agujeros. [dieciséis]

Aplicación

Se anunció la creación de un metamaterial con índice de refracción negativo en la región visible, capaz de ocultar un objeto tridimensional. El material consiste en nanoantenas de oro soportadas por oro y fluoruro de magnesio [17] . El uso de metamateriales en la creación de ropa inteligente de camuflaje para el ejército es más prometedor que enfoques alternativos [18] .

Debido a su índice de refracción negativo, los metamateriales son ideales para encubrir objetos, ya que no pueden ser detectados por la inteligencia de radio . Sin embargo, los metamateriales existentes solo en primera aproximación tienen un índice de refracción negativo, lo que conduce a reemisiones secundarias significativas [19] .

Existe un interés creciente en el uso de metamateriales en aplicaciones de radio y, en particular, en tecnología de antenas . Las principales áreas de su aplicación [3] [4] [20] : fabricación de sustratos y emisores en antenas impresas para lograr banda ancha y reducir el tamaño de los elementos de antena; compensación de la reactividad de antenas eléctricamente pequeñas en una amplia banda de frecuencias, incluidas aquellas que superan el límite fundamental de Chu [21] ; logro de una estrecha orientación espacial de emisores elementales inmersos en el metamedio; fabricación de antenas de onda superficial; reducción de la influencia mutua entre elementos de conjuntos de antenas, incluso en dispositivos MIMO ; bocina a juego y otros tipos de antenas.

Historia

Las primeras obras en este sentido datan del siglo XIX. En 1898, Jagadis Chandra Bose realizó el primer experimento de microondas para estudiar las propiedades de polarización de las estructuras que creó con una configuración curva [3] [4] . En 1914, Lindman actuó sobre medios artificiales, que eran un conjunto de pequeños cables orientados al azar, retorcidos en espiral e incrustados en un medio que los fijaba [3] [4] . En 1946-1948 Winston E. Kok fue el primero en crear lentes de microondas utilizando esferas conductoras, discos y tiras de metal espaciadas periódicamente, que en realidad formaban un medio artificial con un valor específico del índice de refracción efectivo [3] [4] . Se puede encontrar una descripción detallada de la historia del problema en el trabajo de V. M. Agranovich y Yu. N. Gartshtein [22] , así como en las publicaciones de Vadim Slyusar [3] [4] . En la mayoría de los casos, la historia del tema de los materiales con índice de refracción negativo comienza con una mención del trabajo del físico soviético Viktor Veselago , publicado en la revista Uspekhi fizicheskikh nauk en 1967 [23] . El artículo hablaba de la posibilidad de la existencia de un material con índice de refracción negativo , al que se denominó "zurdo". El autor llegó a la conclusión de que con dicho material, casi todos los fenómenos ópticos conocidos de propagación de ondas cambian significativamente, aunque en ese momento aún no se conocían materiales con un índice de refracción negativo. Aquí, sin embargo, debe señalarse que, de hecho, tales medios "del lado izquierdo" se discutieron mucho antes en el trabajo de Sivukhin [24] y en artículos de Pafomov [25] .

En los últimos años se han realizado intensos estudios sobre los fenómenos asociados a un índice de refracción negativo [26] . El motivo de la intensificación de estos estudios fue la aparición de una nueva clase de materiales modificados artificialmente con una estructura especial, a los que se denomina metamateriales. Las propiedades electromagnéticas de los metamateriales están determinadas por los elementos de su estructura interna, colocados según un esquema dado a nivel microscópico. Por lo tanto, las propiedades de estos materiales se pueden modificar para que tengan una gama más amplia de características electromagnéticas, incluido un índice de refracción negativo.

Veselago predijo que ciertos fenómenos ópticos serían bastante diferentes en materiales con un índice de refracción negativo. Quizás el más llamativo de estos es la refracción  , la desviación de una onda electromagnética cuando pasa a través de una interfaz entre dos medios. En condiciones normales, la onda aparece en el lado opuesto de una línea perpendicular a este límite ( normal a la superficie). Sin embargo, si un material tiene un índice de refracción positivo y el otro tiene un índice de refracción negativo, la onda aparecerá en el mismo lado normal de la superficie que la onda entrante. También una propiedad especial de los metamateriales es la fuerte dispersión .

Propiedades mecánicas de los composites

Ejemplos de metamateriales con propiedades mecánicas inusuales son los auxéticos (materiales con relación de Poisson negativa), creados sobre la base del "panal de abeja invertido" [27] y los materiales en capas, que, con una selección especial de las características de las capas, tienen una relación negativa. coeficiente de expansión a través de las capas [28 ] .

Véase también

Notas

  1. ↑ Engheta, Nader; Ziolkowski, Richard W. Metamateriales: exploraciones de física e ingeniería . - John Wiley & Sons & IEEE Press , 2006. - P. xv, 3-30, 37, 143-150, 215-234, 240-256. — 440p. - ISBN 978-0-471-76102-0 .
  2. ↑ David R. Smith. Metamateriales  (inglés) . metagrupo _ Universidad de Duke . Consultado el 22 de agosto de 2015. Archivado desde el original el 7 de septiembre de 2015.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamateriales en tecnología de antenas: historia y principios básicos  // Electrónica: ciencia, tecnología, negocios. - 2009. - Nº 7 . - S. 70-79 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Slyusar, Vadim. Metamateriales en tecnología de antenas: principios básicos y resultados  // Primera Milla. Última Milla (Suplemento a la revista "Electrónica: Ciencia, Tecnología, Negocios"). - 2010. - Nº 3-4 . - S. 44-60 .
  5. ↑ PostNauka Ildar Gabitov 29 de marzo de 2017 Metamateriales Archivado el 23 de septiembre de 2018 en Wayback Machine .
  6. ↑ Orlov A. A., Yankovskaya E. A., Belov P. A., Zhukovsky S. V. Extracción de parámetros materiales de una multicapa plasmónica a partir de coeficientes de reflexión y transmisión  // Boletín científico y técnico de tecnologías de la información, mecánica y óptica. - Universidad ITMO , 2014. - 1-2 ( Edición 1 (89) ). — ISSN 2226-1494 .
  7. ↑ Publicaciones - Profesor Sir John  Pendry . Colegio Imperial de Londres . Consultado el 22 de agosto de 2015. Archivado desde el original el 6 de septiembre de 2015.
  8. ↑ A. Grbic, G. V. Eleftheriades. Superación del límite de difracción con una lente de línea de transmisión plana para zurdos  // Cartas de revisión física  . - 2004. - vol. 92. - Pág. 117403. - doi : 10.1103/PhysRevLett.92.117403 .
  9. ↑ Nicholas Fang, Hyesog Lee, Cheng Sun, Xiang Zhang. Imágenes ópticas limitadas por subdifracción con una superlente plateada  // Ciencia  . - 2005. - 22 de abril (vol. 308, núm. 5721 ). - Pág. 534-537. -doi : 10.1126 / ciencia.1108759 . —PMID 15845849 .
  10. ↑ Sarah Young. La nueva superlente abre la puerta a la imagen óptica a nanoescala, la optoelectrónica de alta densidad  . ¡Alerta Eureka! Science News (21 de abril de 2005). Consultado el 22 de agosto de 2015. Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015.
  11. ↑ Los metamateriales doblan la luz a nuevos niveles  //  Noticias de química e ingeniería. - 2008. - 18 de agosto (vol. 86, núm. 33 ). — Pág. 25.
  12. ↑ J. Valentín; Valentín, J.; Zhang, S.; Zentgraf, T.; Ulin-Ávila, E.; Genov, D. A.; Bartal, G.; Zhang, X. et al. Metamaterial óptico tridimensional con índice de refracción negativo  //  Naturaleza: revista. - 2008. - Vol. 455 , núm. 7211 . - pág. 376-379 . -doi : 10.1038/ naturaleza07247 . —PMID 18690249 .
  13. ↑ J. Yao; Yao, J.; Liu, Z.; Liu, Y.; Wang, Y.; Sol, C.; Bartal, G.; Stacy, AM; Zhang, X. et al. Refracción óptica negativa en metamateriales a granel de nanocables  (inglés)  // Ciencia: revista. - 2008. - Vol. 321 , núm. 5891 . — Pág. 930 . -doi : 10.1126 / ciencia.1157566 . —PMID 18703734 .
  14. ↑ Kerry Gibson. Se descubrió que los metamateriales funcionan para la luz visible  . ¡Alerta Eureka! Science News (4 de enero de 2007). Consultado el 22 de agosto de 2015. Archivado desde el original el 15 de febrero de 2012.
  15. ↑ M. A. Remnev, V. V. Klimov. Metasuperficies: una nueva mirada a las ecuaciones de Maxwell y nuevos métodos de control de la luz // UFN. - 2018. - T. 188. - S. 169-205. - doi : 10.3367/UFNr.2017.08.038192 .
  16. ↑ Alberto Moscatelli. Lentes minúsculas para dispositivos en miniatura // En el mundo de la ciencia . - 2020. - Nº 1 . - S. 11-12 .
  17. ↑ Manto de invisibilidad se ha hecho realidad (enlace inaccesible) . tan-blog.ru. Consultado el 22 de febrero de 2016. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016. 
  18. ↑ Vadim Slyusar. ¿Hombre invisible? ¡Pan comido!  // Constructor. - 2002. - Nº 11 .
  19. ↑ Pendry JB, Smith DR. La búsqueda de la superlente  // Scientific American  . - Naturaleza de Springer , 2006. - Vol. 295.- Pág. 60-67 . — ISSN 0036-8733 .
  20. ↑ Vadim Slyusar. Metamateriales en diseños de antenas  // Electrónica: ciencia, tecnología, negocios. - 2009. - Nº 8 . - S. 66-70 .
  21. ↑ Vadim Slyusar. 60 años de la teoría de las antenas eléctricamente pequeñas. Algunos resultados  // Electrónica: ciencia, tecnología, negocios. - 2006. - Nº 7 . - S. 10-19 .
  22. ↑ V. M. Agranovich, Yu. N. Gartshtein. Dispersión espacial y refracción negativa de la luz  // Uspekhi Fizicheskikh Nauk . - Academia Rusa de Ciencias , 2006. - Octubre ( vol. 176 ). - S. 1051-1068 . - doi : 10.3367/UFNr.0176.200610c.1051 .
  23. ↑ Veselago, V. G. Electrodinámica de sustancias con valores simultáneamente negativos de ε y μ  // Uspekhi fizicheskikh nauk . — M .: Nauka . La edición principal de literatura física y matemática, 1967. - julio ( v. 92 ). - S. 517-526 . - doi : 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517 .
  24. ↑ Sivukhin D.V. // Óptica y espectroscopia, Vol. 3, S. 308 (1957)
  25. ↑ Pafomov V. E. // ZhETF, V. 36, S. 1853 (1959); T. 33, S. 1074 (1957); T. 30, S. 761 (1956)
  26. ↑ Siete descubrimientos que cambiarán nuestras vidas en los próximos 10 años Copia de archivo fechada el 12 de marzo de 2016 en Wayback Machine de la serie SCIENCE IN FOCUS en Echo of Moscow, diciembre de 2014
  27. ↑ AG Kolpakov. [Elsevier http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021892885900115 Para determinar las características promedio de los marcos elásticos] // Matemáticas y mecánica aplicadas. - 1985. - Nº 6 . - S. 969-977 . Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015.
  28. ↑ Kolpakov A. G., Rakin S. I. Sobre el problema de sintetizar un material compuesto unidimensional con características específicas // Zhurn PMTF. - 1986. - Nº 6 . - S. 143-150 .

Literatura

Enlaces

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