Метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления

Виктор Георгиевич Веселаго

Почти 40 лет назад советский ученый Виктор Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления:

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. 

Волновое уравнение

Из уравнений Максвелла для однородной нейтральной непроводящей среды следует, что в электромагнитных полях возможно распространение электромагнитных волн с фазовой скоростью

В вакууме эта скорость равна скорости распространения света

Таким образом фазовая скорость распространения э-м. волн в веществе определяется магнитной и диэлектрической проницаемостью сред.

Отношение скорости света в вакууме к|до| скорости света в среде - n называют абсолютным показателем преломления среды

Виктор Веселаго выдвинул такую гипотезу:

«Если не учитывать потерь и считать n, ε и μ действительными числами, то  видно, что одновременная смена знаков ε и μ никак не отражается на соотношении. Такое положение может быть объяснено различными способами. Во-первых, можно признать, что свойства веществ действительно не зависят от одновременной смены знаков ε и μ. Во-вторых, может оказаться, что одновременная отрицательность ε и μ противоречит каким-либо основным законам природы, и поэтому вещества с ε < 0 и μ < 0 не могут существовать. Наконец, следует признать, что вещества с отрицательными ε и μ обладают какими-то свойствами, отличными от свойств веществ с положительными ε и μ. Как мы увидим в дальнейшем, осуществляется именно этот третий случай.»

«Правые» и «Левые» изотропные среды

Пусть в однородной нейтральной непроводящей среде в направлении оси х распространяется плоская электромагнитная волна, волновой фронт которой перпендикулярен направлению распространения.

Векторы и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, в фиксированной точке пространства меняются с течением времени по гармоническому закону в одной фазе.

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.

Действительно, если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля.

Таким образом в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с отрицательными ε и μ показатель преломления n должен быть меньше 0.

Экспериментальное подтверждение.

Электроны в материале движутся вперед и назад под действием электрического поля и по кругу под действием магнитного. Степень взаимодействия определяется двумя характеристиками вещества: диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ. Первая показывает степень реакции электронов на электрическое поле, вторая — степень реакции на магнитное. У подавляющего большинства материалов ε и μ больше нуля.

Отрицательные ε или μ получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно.

Где и как такие вещества искать?

Первое экспериментальное подтверждение возможности создания материала с отрицательным показателем преломления было получено в 2000 г. в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD). Поскольку элементарные кирпичики метаматериала должны быть значительно меньше длины волны, исследователи работали с излучением сантиметрового диапазона и использовали элементы размером в несколько миллиметров.

Ключ к такого рода отрицательной реакции — резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи. Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной ε, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной μ. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.

Калифорнийские ученые сконструировали метаматериал, состоящий из чередующихся проводников и РКР, собранных в виде призмы. Проводники обеспечивали отрицательную ε, а кольца с разрезами — отрицательную μ. В результате должен был получиться отрицательный показатель преломления. Для сравнения была изготовлена призма точно такой же формы из тефлона, у которого n = 1,4. Исследователи направили пучок СВЧ-излучения на грань призмы и измерили интенсивность волн, выходящих из нее разными углами. Как и ожидалось, пучок подвергся положительному преломлению на призме из тефлона и отрицательному на призме из метаматериала.

Следствия.

Преломление на границе раздела двух сред с различной правизной.

Суперлинза.

Простая плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Плоскопараллельная пластинка из метаматериала с n<0

В правой среде пространство изображений линзы нетождественно самому предмету так как 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. Возможно преодоление дифракционного предела при создании таких оптических систем, повышение с их помощью разрешающей способности микроскопов, создание микросхем наномасштаба, повышение плотности записи на оптические носители информации.

Отрицательное давление

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 поглощающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Новости

В начале 2007 г. было заявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимой области. У материала показатель преломления на длине волны 780нм был равен −0.6

В 2011 году вышли статьи- в США апробирована технология, которая позволяет в массовом порядке производить большие листы метаматериалов

Метаматериалы методом печати

Вывод

Изучение и создание новых метаматериалов с уникальными свойствами позволит в ближайшем будущем значительно продвинуться вперёд человечеству во многих областях науки и техники. Это и астрономические исследования благодаря суперлинзам, преодолевающим дифракционный предел разрешения; альтернативные источники энергии - появятся новые солнечные батареи с КПД более 20%; материалы – невидимки и т.д. Количество направлений в исследованиях огромно и самое главное, они успешны.