Metamateriale - Metamaterial

Negativt indeksmetamateriale- array-konfiguration, der var konstrueret af kobber split-ring resonatorer og ledninger monteret på sammenlåsende plader af glasfiber printkort. Det samlede array består af 3 × 20 × 20 enhedsceller med overordnede dimensioner på 10 mm × 100 mm × 100 mm (0,39  in × 3,94 in × 3,94 in).

Et metamateriale (fra det græske ord μετά meta , der betyder "hinsides" og det latinske ord materia , der betyder "stof" eller "materiale") er ethvert materiale konstrueret til at have en egenskab, der ikke findes i naturligt forekommende materialer. De er fremstillet af samlinger af flere elementer fremstillet af kompositmaterialer såsom metaller og plast. Materialerne er normalt arrangeret i gentagende mønstre i skalaer, der er mindre end bølgelængderne af de fænomener, de påvirker. Metamaterialer stammer deres egenskaber ikke fra basismaterialernes egenskaber, men fra deres nydesignede strukturer. Deres præcise form , geometri , størrelse , orientering og arrangement giver dem deres smarte egenskaber, der er i stand til at manipulere elektromagnetiske bølger : ved at blokere, absorbere, forstærke eller bøje bølger for at opnå fordele, der går ud over, hvad der er muligt med konventionelle materialer.

Korrekt designede metamaterialer kan påvirke bølger af elektromagnetisk stråling eller lyd på en måde, der ikke observeres i bulkmaterialer. Dem, der udviser et negativt brydningsindeks for bestemte bølgelængder, har været i fokus for en stor mængde forskning. Disse materialer er kendt som negative indeksmetamaterialer .

Potentielle anvendelser af metamaterialer er mangfoldige og omfatter optiske filtre , medicinsk udstyr , fjernbetjening rumfart applikationer, sensor detektering og overvågning infrastruktur , intelligent solenergi ledelse, crowd control , radomer , højfrekvente slagmarken kommunikation og linser til high-gain antenner, bedre ultralydssensorer , og endda afskærme strukturer mod jordskælv . Metamaterialer giver mulighed for at skabe superlinser . En sådan linse kan tillade billeddannelse under diffraktionsgrænsen, der er den mindste opløsning, der kan opnås med konventionelle glaslinser. En form for 'usynlighed' blev demonstreret ved hjælp af materialer med gradientindeks . Akustiske og seismiske metamaterialer er også forskningsområder.

Metamaterialeforskning er tværfaglig og involverer områder som elektroteknik , elektromagnetik , klassisk optik , solid state fysik , mikrobølge- og antenneteknik , optoelektronik , materialevidenskab , nanovidenskab og halvlederteknik .

Historie

Undersøgelser af kunstige materialer til manipulation af elektromagnetiske bølger begyndte i slutningen af ​​1800 -tallet. Nogle af de tidligste strukturer, der kan betragtes som metamaterialer, blev undersøgt af Jagadish Chandra Bose , der i 1898 undersøgte stoffer med kirale egenskaber. Karl Ferdinand Lindman studerede bølgeinteraktion med metalliske spiraler som kunstige kirale medier i begyndelsen af ​​det tyvende århundrede.

I slutningen af ​​1940'erne udviklede Winston E. Kock fra AT&T Bell Laboratories materialer, der havde lignende egenskaber som metamaterialer. I 1950'erne og 1960'erne blev kunstig dielektri undersøgt for lette mikrobølgeantenner . Mikrobølge radar absorbere blev undersøgt i 1980'erne og 1990'erne som applikationer til kunstige kirale medier.

Negative indeksmaterialer blev først beskrevet teoretisk af Victor Veselago i 1967. Han beviste, at sådanne materialer kunne overføre lys . Han viste, at fasehastigheden kunne gøres anti-parallel til retningen af Poynting-vektoren . Dette er i modstrid med bølgeudbredelse i naturligt forekommende materialer.

I 2000 var John Pendry den første til at identificere en praktisk måde at lave et venstrehåndet metamateriale, et materiale, hvor højre håndsregel ikke følges. Et sådant materiale tillader en elektromagnetisk bølge at transportere energi (har en gruppehastighed ) mod sin fasehastighed . Pendrys idé var, at metalliske tråde, der var justeret langs en bølges retning, kunne give negativ permittivitet ( dielektrisk funktion ε <0). Naturmaterialer (såsom ferroelektriske stoffer ) udviser negativ permittivitet; udfordringen var at opnå negativ permeabilitet (µ <0). I 1999 demonstrerede Pendry, at en delt ring (C -form) med sin akse placeret langs bølgeformeringsretningen kunne gøre det. I samme papir viste han, at et periodisk udvalg af ledninger og ringe kunne give anledning til et negativt brydningsindeks. Pendry foreslog også et relateret design med negativ permeabilitet, den schweiziske rulle .

I 2000 fortalte David R. Smith et al. rapporterede den eksperimentelle demonstration af fungerende elektromagnetiske metamaterialer ved vandret stabling, periodisk , split-ring resonatorer og tynde trådstrukturer. En metode blev leveret i 2002 til at realisere negative indeksmetamaterialer ved hjælp af kunstige klumpede elementbelastede transmissionslinjer i mikrostrimmelteknologi . I 2003 blev komplekse (både virkelige og imaginære dele af) negative brydningsindeks og billeddannelse med flad linse påvist ved hjælp af venstrehåndede metamaterialer påvist. I 2007 var eksperimenter, der involverede negativt brydningsindeks, blevet udført af mange grupper. Ved mikrobølgefrekvenser blev den første, uperfekte usynlighedskappe realiseret i 2006.


Elektromagnetiske metamaterialer

Et elektromagnetisk metamateriale påvirker elektromagnetiske bølger, der påvirker eller interagerer med dets strukturelle træk, som er mindre end bølgelængden. For at opføre sig som et homogent materiale, der er nøjagtigt beskrevet med et effektivt brydningsindeks , skal dets egenskaber være meget mindre end bølgelængden.

For mikrobølgestråling er funktionerne i størrelsesordenen millimeter . Mikrobølgefrekvensmetamaterialer er normalt konstrueret som arrays af elektrisk ledende elementer (såsom trådsløjfer), der har passende induktive og kapacitive egenskaber. Mange mikrobølge metamaterialer bruger split-ring resonatorer .

Fotoniske metamaterialer er struktureret på nanometerskalaen og manipulerer lys ved optiske frekvenser. Fotoniske krystaller og frekvensselektive overflader, såsom diffraktionsgitre , dielektriske spejle og optiske belægninger udviser ligheder med subbølgelængdestrukturerede metamaterialer. Disse betragtes dog normalt som adskilte fra metamaterialer, da deres funktion skyldes diffraktion eller interferens og dermed ikke kan tilnærmes som et homogent materiale. Materialestrukturer såsom fotoniske krystaller er imidlertid effektive i det synlige lysspektrum . Midten af ​​det synlige spektrum har en bølgelængde på cirka 560 nm (til sollys). Fotoniske krystalstrukturer er generelt halvdelen af ​​denne størrelse eller mindre, det vil sige <280 nm.

Plasmoniske metamaterialer anvender overfladeplasmoner , som er pakker med elektrisk ladning, der samlet svinger ved overflader af metaller ved optiske frekvenser.

Frekvensselektive overflader (FSS) kan udvise subbølgelængdeegenskaber og kendes forskelligt som kunstige magnetiske ledere (AMC) eller High Impedance Surfaces (HIS). FSS viser induktive og kapacitive egenskaber, der er direkte relateret til deres subbølgelængdestruktur.

Elektromagnetiske metamaterialer kan opdeles i forskellige klasser som følger:

Negativt brydningsindeks

En sammenligning af brydning i et venstrehåndet metamateriale med det i et normalt materiale

Negative indeksmetamaterialer (NIM) er kendetegnet ved et negativt brydningsindeks. Andre udtryk for NIM'er inkluderer "venstrehåndede medier", "medier med et negativt brydningsindeks" og "bagudbølgede medier". NIM'er, hvor det negative brydningsindeks stammer fra samtidig negativ permittivitet og negativ permeabilitet, er også kendt som dobbelt negative metamaterialer eller dobbelt negative materialer (DNG).

Forudsat at et materiale er godt tilnærmet af en reel permittivitet og permeabilitet, er forholdet mellem permittivitet , permeabilitet og brydningsindeks n givet ved . Alle kendte ikke-metamateriale gennemsigtige materialer (glas, vand, ...) besidder positive og . Efter konvention bruges den positive kvadratrod til n . Nogle konstruerede metamaterialer har imidlertid og . Da produktet er positiv, n er ægte . Under sådanne omstændigheder er det nødvendigt at tage den negative kvadratrod for n . Når begge og er positive (negative), rejser bølger sig fremad ( bagud ). Elektromagnetiske bølger kan ikke forplante sig i materialer med og med modsat tegn, da brydningsindekset bliver imaginært . Sådanne materialer er uigennemsigtige for elektromagnetisk stråling, og eksempler omfatter plasmoniske materialer såsom metaller ( guld , sølv , ...).

Video, der repræsenterer negativ brydning af lys ved ensartet plan grænseflade.

De foregående betragtninger er forenklede for faktiske materialer, som skal have kompleksværdier og . De reelle dele af begge og behøver ikke at være negative for et passivt materiale til at vise negativ brydning. Faktisk kan et negativt brydningsindeks for cirkulært polariserede bølger også opstå fra kiralitet. Metamaterialer med negative n har mange interessante egenskaber:

  • Snells lov ( n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 ) beskriver stadig brydning, men da n 2 er negativ, er indfaldende og brydede stråler på samme side af overfladen normal ved en grænseflade af positive og negative indeksmaterialer.
  • Cherenkov -stråling peger den anden vej.
  • Den tidsgennemsnitlige Poynting-vektor er antiparallel i forhold til fasehastighed . For at bølger (energi) skal forplante sig, skal a - µ imidlertid parres med a - ε for at tilfredsstille bølgetalafhængigheden af ​​materialeparametrene .

Negativt brydningsindeks stammer matematisk fra vektortripletten E , H og k .

For plane bølger, der formerer sig i elektromagnetiske metamaterialer, følger det elektriske felt, magnetfelt og bølgevektor en venstreregel , omvendt af konventionelle optiske materialers adfærd.

Til dato har kun metamaterialer et negativt brydningsindeks.

Enkelt negativ

Enkelt negative (SNG) metamaterialer har enten negativ relativ permittivitet (ε r ) eller negativ relativ permeabilitet (µ r ), men ikke begge dele. De fungerer som metamaterialer, når de kombineres med en anden, komplementær SNG, der i fællesskab fungerer som en DNG.

Epsilon negative medier (ENG) viser en negativ ε r, mens µ r er positiv. Mange plasmaer udviser denne egenskab. For eksempel er ædelmetaller som guld eller sølv ENG i det infrarøde og synlige spektrum .

Mu-negative medier (MNG) viser en positiv ε r og negativ µ r . Gyrotropiske eller gyromagnetiske materialer udviser denne egenskab. Et gyrotropisk materiale er et materiale, der er blevet ændret ved tilstedeværelsen af ​​et kvasistatisk magnetfelt , hvilket muliggør en magneto-optisk effekt . En magneto-optisk effekt er et fænomen, hvor en elektromagnetisk bølge formerer sig gennem et sådant medie. I et sådant materiale kan venstre- og højre-roterende elliptiske polarisationer forplante sig med forskellige hastigheder. Når lys overføres gennem et lag af magneto-optisk materiale, kaldes resultatet Faraday-effekten : Polarisationsplanet kan roteres og danne en Faraday-rotator . Resultaterne af en sådan refleksion er kendt som den magneto-optiske Kerr-effekt (må ikke forveksles med den ikke-lineære Kerr-effekt ). To gyrotropiske materialer med omvendte rotationsretninger for de to hovedpolarisationer kaldes optiske isomerer .

Sammenføjning af en plade af ENG -materiale og plade af MNG -materiale resulterede i egenskaber som resonanser, unormal tunneling, gennemsigtighed og nulreflektion. Ligesom materialer med negativt indeks er SNG'er medfødt dispersive, så deres ε r , µ r og brydningsindeks n er en funktion af frekvens.

Hyperbolisk

Hyperboliske metamaterialer (HMM'er) opfører sig som et metal til en bestemt polarisering eller retning af lysudbredelse og opfører sig som et dielektrikum for den anden på grund af de negative og positive permittivitetstensorkomponenter, hvilket giver ekstrem anisotropi . Materialets spredningsforhold i bølvevektorrum danner et hyperboloid, og derfor kaldes det et hyperbolsk metamateriale. Den ekstreme anisotropi af HMM'er fører til retningsudbredelse af lys inden i og på overfladen. HMM'er har vist forskellige potentielle anvendelser, såsom sansning, billeddannelse, styring af optiske signaler, forbedrede plasmonresonanseffekter.

Bandgap

Elektromagnetisk bandgap metamaterialer (EBG eller EBM) styre lys formering. Dette opnås enten med fotoniske krystaller (PC) eller venstrehåndede materialer (LHM). Pc'er kan helt forbyde lysudbredelse. Begge klasser kan tillade lys at forplante sig i specifikke, designede retninger, og begge kan designes med båndgab ved ønskede frekvenser. Periodestørrelsen af ​​EBG'er er en mærkbar brøkdel af bølgelængden, hvilket skaber konstruktiv og destruktiv interferens.

PC adskiller sig fra sub-bølgelængde strukturer, såsom afstembare metamaterialer , fordi pc'en stammer sine egenskaber fra sine båndgabskarakteristika. Pc'er er dimensioneret til at matche lysets bølgelængde i forhold til andre metamaterialer, der udsætter struktur for sub-bølgelængde. Desuden fungerer pc'er ved at diffraktere lys. I modsætning hertil bruger metamateriale ikke diffraktion.

Pc'er har periodiske indeslutninger, der hæmmer bølgeudbredelse på grund af inklusionernes destruktive interferens fra spredning. Den fotoniske båndgab-egenskab ved pc'er gør dem til den elektromagnetiske analog af elektroniske halvlederkrystaller.

EBG'er har som mål at skabe høj kvalitet, lavt tab, periodiske, dielektriske strukturer. En EBG påvirker fotoner på samme måde som halvledermaterialer påvirker elektroner. Pc'er er det perfekte bandgapmateriale, fordi de ikke tillader lysudbredelse. Hver enhed i den foreskrevne periodiske struktur fungerer som et atom, omend af en meget større størrelse.

EBG'er er designet til at forhindre spredning af en tildelt båndbredde af frekvenser for visse ankomstvinkler og polarisationer . Forskellige geometrier og strukturer er blevet foreslået til at fremstille EBGs særlige egenskaber. I praksis er det umuligt at bygge en fejlfri EBG -enhed.

EBG'er er blevet fremstillet til frekvenser fra et par gigahertz (GHz) til et par terahertz (THz), radio, mikrobølge og mellem-infrarøde frekvensområder. EBG -applikationsudviklingen omfatter en transmissionslinje , træstabler fremstillet af firkantede dielektriske stænger og flere forskellige typer lavforstærkningsantenner .

Dobbelt positivt medium

Dobbelt positive medier (DPS) forekommer i naturen, såsom naturligt forekommende dielektrikum . Permittivitet og magnetisk permeabilitet er både positive, og bølgeudbredelse er i fremadgående retning. Der er fremstillet kunstige materialer, der kombinerer DPS, ENG og MNG egenskaber.

Bi-isotrop og bianisotrop

Kategorisering af metamaterialer i dobbelt eller enkelt negativ eller dobbelt positiv antager normalt, at metamaterialet har uafhængige elektriske og magnetiske reaktioner beskrevet af ε og µ. I mange tilfælde forårsager det elektriske felt imidlertid magnetisk polarisering, mens magnetfeltet inducerer elektrisk polarisering, kendt som magnetoelektrisk kobling. Sådanne medier betegnes som bi-isotrope . Medier, der udviser magnetoelektrisk kobling, og som er anisotrope (hvilket er tilfældet for mange metamaterialestrukturer), omtales som bi-anisotrope.

Fire materialeparametre er iboende for magnetoelektrisk kobling af bi-isotrope medier. De er de elektriske ( E ) og magnetiske ( H ) feltstyrker og elektriske ( D ) og magnetiske ( B ) fluxdensiteter. Disse parametre er henholdsvis ε, µ, κ og χ eller permittivitet, permeabilitet, kiralitetsstyrke og parameteren Tellegen. I denne type medier varierer materialeparametre ikke med ændringer langs et roteret koordinatsystem af målinger. I denne forstand er de invariante eller skalare .

De iboende magnetoelectric parametre, κ og χ , påvirker fasen af bølgen. Virkningen af ​​chiralitetsparameteren er at dele brydningsindekset. I isotrope medier resulterer dette kun i bølgeudbredelse, hvis ε og µ har det samme tegn. I bi-isotrope medier med χ antaget at være nul, og κ en værdi uden nul, vises forskellige resultater. Enten kan der forekomme en tilbagegående eller en bølge fremad. Alternativt kan der forekomme to fremadgående bølger eller to bagudgående bølger afhængigt af styrken af ​​chiralitetsparameteren.

I det generelle tilfælde, de konstitutive relationer for bi-anisotrope materialer læse hvor og er permittivitet og permeabilitet tensorer, hvorimod og er de to magneto-elektriske tensorer. Hvis mediet er gensidigt, er permittivitet og permeabilitet symmetriske tensorer, og hvor er den chirale tensor, der beskriver chiral elektromagnetisk og reciprok magneto-elektrisk respons. Den chirale tensor kan udtrykkes som , hvor er sporet af , I er identitetsmatricen, N er en symmetrisk sporfri tensor, og J er en antisymmetrisk tensor. En sådan nedbrydning giver os mulighed for at klassificere det gensidige bianisotropiske svar, og vi kan identificere følgende tre hovedklasser: (i) chirale medier ( ), (ii) pseudochirale medier ( ), (iii) omega media ( ).

Chiral

Metamaterialers håndethed er en potentiel kilde til forvirring, da metamaterialelitteraturen indeholder to modstridende anvendelser af udtrykkene venstre- og højrehåndede . Den første refererer til en af ​​de to cirkulært polariserede bølger, der er formeringsmetoder i kirale medier. Den anden vedrører tripletten af ​​elektrisk felt, magnetfelt og Poynting -vektor, der opstår i negative brydningsindeksmedier, som i de fleste tilfælde ikke er chirale.

Generelt er en chiral og/eller bianisotrop elektromagnetisk reaktion en konsekvens af 3D geometrisk kiralitet: 3D-chirale metamaterialer er sammensat ved at indlejre 3D-chirale strukturer i et værtsmedium, og de viser kiralirelaterede polariseringseffekter såsom optisk aktivitet og cirkulær dikroisme . Begrebet 2D -chiralitet eksisterer også, og et plant objekt siges at være chiralt, hvis det ikke kan overlejres på sit spejlbillede, medmindre det løftes fra flyet. 2D-chirale metamaterialer, der er anisotrope og tabende, er blevet observeret for at udvise retningsbestemt asymmetrisk transmission (refleksion, absorption) af cirkulært polariserede bølger på grund af cirkulær konvertering dichrosim. På den anden side kan bianisotrop reaktion opstå fra geometriske achirale strukturer, der hverken besidder 2D eller 3D iboende chiralitet. Plum og kolleger undersøgte magneto-elektrisk kobling på grund af ekstrinsisk kiralitet , hvor arrangementet af en (achiral) struktur sammen med strålingsbølgefektoren er forskellig fra dets spejlbillede og observerede stor, afstembar lineær optisk aktivitet, ikke-lineær optisk aktivitet, spekulær optisk aktivitet og cirkulær konvertering dikroisme. Rizza et al. foreslået 1D-chirale metamaterialer, hvor den effektive kirale tensor ikke forsvinder, hvis systemet er geometrisk endimensionelt chiralt (spejlbilledet af hele strukturen kan ikke overlejres på det ved hjælp af oversættelser uden rotationer).

3D-chirale metamaterialer er konstrueret af chirale materialer eller resonatorer, hvor den effektive chiralitetsparameter ikke er nul. Bølgeudbredelsesegenskaber i sådanne chirale metamaterialer viser, at negativ brydning kan realiseres i metamaterialer med en stærk chiralitet og positive og . Dette skyldes, at brydningsindekset har forskellige værdier for venstre og højre cirkulært polariserede bølger, givet af

Det kan ses, at der vil forekomme et negativt indeks for én polarisering, hvis > . I dette tilfælde er det ikke nødvendigt, at enten eller begge og være negative for bagudgående bølgeformering. Et negativt brydningsindeks på grund af chiralitet blev først observeret samtidigt og uafhængigt af Plum et al. og Zhang et al. i 2009.

FSS baseret

Frekvensselektive overfladebaserede metamaterialer blokerer signaler i et bølgebånd og passerer dem på et andet bølgebånd. De er blevet et alternativ til faste frekvensmetamaterialer. De giver mulighed for valgfrie ændringer af frekvenser i et enkelt medium, snarere end de restriktive begrænsninger af et fast frekvenssvar .

Andre typer

Elastisk

Disse metamaterialer bruger forskellige parametre til at opnå et negativt brydningsindeks i materialer, der ikke er elektromagnetiske. Desuden kan "et nyt design til elastiske metamaterialer, der kan opføre sig enten som væsker eller faste stoffer over et begrænset frekvensområde, muliggøre nye applikationer baseret på styring af akustiske, elastiske og seismiske bølger ." De kaldes også mekaniske metamaterialer .

Akustisk

Akustiske metamaterialer styrer, dirigerer og manipulerer lyd i form af soniske , infrasone eller ultralydsbølger i gasser , væsker og faste stoffer . Som med elektromagnetiske bølger kan soniske bølger udvise negativ brydning.

Kontrol af lydbølger opnås for det meste gennem bulkmodulet β , massetæthed ρ og chiralitet. Bulkmodulet og densiteten er analoger til permittivitet og permeabilitet i elektromagnetiske metamaterialer. I forbindelse hermed er mekanikken ved lydbølgeformering i en gitterstruktur . Materialer har også masse og iboende stivhedsgrader . Tilsammen danner disse et resonanssystem , og den mekaniske (soniske) resonans kan blive spændt af passende soniske frekvenser (f.eks. Hørbare pulser ).

Strukturel

Strukturelle metamaterialer giver egenskaber som knusbarhed og let vægt. Ved hjælp af projektionsmikro-stereolitografi kan mikrolagre oprettes ved hjælp af former, der ligner takstænger og dragere . Materialer fire størrelsesordener stivere end konventionel aerogel , men med samme densitet er blevet skabt. Sådanne materialer kan modstå en belastning på mindst 160.000 gange deres egen vægt ved at overbegrænse materialerne.

Et keramisk nanotruss -metamateriale kan udflades og vende tilbage til dets oprindelige tilstand.

Ikke -lineært

Metamaterialer kan fremstilles, der omfatter en eller anden form for ikke -lineære medier, hvis egenskaber ændres med hændelsesbølgens kraft. Ikke -lineære medier er afgørende for ikke -lineær optik . De fleste optiske materialer har et relativt svagt respons, hvilket betyder, at deres egenskaber kun ændres med en lille mængde ved store ændringer i intensiteten af ​​det elektromagnetiske felt . De lokale elektromagnetiske felter for inklusionerne i ikke -lineære metamaterialer kan være meget større end feltets gennemsnitlige værdi. Desuden er bemærkelsesværdige ikke-lineære effekter blevet forudsagt og observeret, hvis metamaterialets effektive dielektriske permittivitet er meget lille (epsilon-nær-nul-medier). Desuden skaber eksotiske egenskaber, såsom et negativt brydningsindeks, muligheder for at skræddersy de fasematchende betingelser, der skal opfyldes i enhver ikke -lineær optisk struktur.

Hallmetamaterialer

I 2009 beviste Marc Briane og Graeme Milton matematisk, at man i princippet kan invertere tegnet på en 3 -materialebaseret komposit i 3D, der kun består af positive eller negative tegn Hall -koefficientmaterialer. Senere i 2015 Muamer Kadic et al. viste, at en simpel perforering af isotrop materiale kan føre til ændring af tegn på Hall -koefficienten. Denne teoretiske påstand blev endelig eksperimentelt demonstreret af Christian Kern et al.

I 2015 blev det også demonstreret af Christian Kern et al. at en anisotrop perforering af et enkelt materiale kan føre til en endnu mere usædvanlig effekt, nemlig den parallelle Hall -effekt. Det betyder, at det inducerede elektriske felt inde i et ledende medie ikke længere er ortogonalt i forhold til strømmen og magnetfeltet, men faktisk er parallelt med det seneste.

Frekvensbånd

Terahertz

Terahertz -metamaterialer interagerer ved terahertz -frekvenser, normalt defineret som 0,1 til 10 THz . Terahertz -stråling ligger i den fjerneste ende af det infrarøde bånd, lige efter mikrobølgebåndets ende. Dette svarer til millimeter- og submillimeterbølgelængder mellem 3 mm ( EHF- båndet) og 0,03 mm (langbølgelængdekant af langt-infrarødt lys).

Fotonisk

Fotonisk metamateriale interagerer med optiske frekvenser ( mellem-infrarød ). Subbølgelængdeperioden adskiller dem fra fotoniske båndgabstrukturer .

Kan indstilles

Afstembare metamaterialer tillader vilkårlige justeringer af frekvensændringer i brydningsindekset. Et afstembart metamateriale udvider sig ud over båndbreddebegrænsningerne i venstrehåndede materialer ved at konstruere forskellige typer metamaterialer.

Plasmonisk

Plasmoniske metamaterialer udnytter overfladeplasmoner , der er fremstillet af lysets vekselvirkning med metal- dielektrikum . Under særlige forhold parrer det indfaldende lys med overfladeplasmonerne for at skabe selvbærende, forplantende elektromagnetiske bølger eller overfladebølger kendt som overfladeplasmonpolaritoner . Bulk plasma svingninger muliggør virkningen af negativ masse (densitet).

Ansøgninger

Metamaterialer overvejes til mange anvendelser. Metamaterialeantenner er kommercielt tilgængelige.

I 2007 udtalte en forsker, at metamaterialeapplikationer skal realiseres, energitab skal reduceres, materialer skal udvides til tredimensionelle isotrope materialer og produktionsteknikker skal industrialiseres.

Antenner

Metamaterialeantenner er en klasse af antenner, der bruger metamaterialer til at forbedre ydeevnen. Demonstrationer viste, at metamaterialer kunne forstærke en antennes udstrålede effekt . Materialer, der kan opnå negativ permeabilitet, tillader egenskaber som lille antennestørrelse, høj direktivitet og indstillelig frekvens.

Absorber

En metamaterialeabsorber manipulerer tabskomponenterne i metamaterialers permittivitet og magnetiske permeabilitet for at absorbere store mængder elektromagnetisk stråling . Dette er en nyttig funktion til fotodetektering og solcelleanlæg . Tabskomponenter er også relevante i anvendelser af negativt brydningsindeks (fotoniske metamaterialer, antennesystemer) eller transformationsoptik ( metamaterialet tilsløring , himmelsk mekanik), men bruges ofte ikke i disse applikationer.

Superlens

En superlens er en to- eller tredimensionel enhed, der bruger metamaterialer, normalt med negative brydningsegenskaber, for at opnå opløsning ud over diffraktionsgrænsen (ideelt set uendelig opløsning). En sådan adfærd er muliggjort af dobbelt-negative materialers evne til at give negativ fasehastighed. Diffraktionsgrænsen er iboende i konventionelle optiske enheder eller linser.

Tilsløring enheder

Metamaterialer er et potentielt grundlag for en praktisk tilslagsindretning . Den proof of principle blev demonstreret den 19. oktober, 2006. Ingen praktiske kapper er offentligt kendt for at eksistere.

RCS (Radar Cross Section) reducerende metamaterialer

Konventionelt er RCS blevet reduceret enten ved hjælp af radarabsorberende materiale (RAM) eller ved formålsformning af målene, så den spredte energi kan omdirigeres væk fra kilden. Mens RAM'er har en smal frekvensbåndsfunktion, begrænser formålsformning målets aerodynamiske ydeevne. For nylig syntetiseres metamaterialer eller metasurfaces, der kan omdirigere den spredte energi væk fra kilden ved hjælp af enten arrayteori eller generaliseret Snells lov. Dette har ført til aerodynamisk gunstige former for målene med den reducerede RCS.

Seismisk beskyttelse

Seismiske metamaterialer modvirker de negative virkninger af seismiske bølger på menneskeskabte strukturer.

Lydfiltrering

Metamaterialer tekstureret med nanoskala -rynker kunne styre lyd- eller lyssignaler, såsom ændring af et materiales farve eller forbedring af ultralydsopløsning . Anvendelser omfatter ikke -destruktiv materialetest , medicinsk diagnostik og lydundertrykkelse . Materialerne kan fremstilles gennem en højpræcisions, flerlags deponeringsproces. Tykkelsen af ​​hvert lag kan kontrolleres inden for en brøkdel af en bølgelængde. Materialet komprimeres derefter, hvilket skaber præcise rynker, hvis afstand kan forårsage spredning af udvalgte frekvenser.

Teoretiske modeller

Alle materialer er lavet af atomer , som er dipoler . Disse dipoler ændrer lyshastigheden med en faktor n (brydningsindekset). I en split-ring resonator ringen og wire enheder fungerer som atomare dipoler: tråden virker som en ferroelektrisk atom, mens ringen fungerer som en induktor L, mens det åbne afsnit fungerer som en kondensator C . Ringen som helhed fungerer som et LC -kredsløb . Når det elektromagnetiske felt passerer gennem ringen, dannes en induceret strøm. Det genererede felt er vinkelret på lysets magnetfelt. Den magnetiske resonans resulterer i en negativ permeabilitet; brydningsindekset er også negativt. (Linsen er ikke rigtig flad, da strukturens kapacitans pålægger en hældning for den elektriske induktion.)

Flere (matematiske) materialemodeller frekvensrespons i DNG'er. En af disse er Lorentz-modellen , der beskriver elektronbevægelse i form af en drevet, dæmpet, harmonisk oscillator . Det Debye afslapning model gælder, når acceleration komponent af Lorentz matematiske model er lille sammenlignet med de andre komponenter i ligningen. Den Drude model gælder, når den tilbageføringskraft komponent er ubetydelig og koblingen koefficient er generelt den plasma frekvens . Andre komponentforskelle kræver brug af en af ​​disse modeller afhængigt af dens polaritet eller formål.

Tredimensionelle kompositter af metal/ikke-metalliske indeslutninger, der periodisk/tilfældigt er indlejret i en matrix med lav permittivitet, er sædvanligvis modelleret efter analytiske metoder, herunder blandingsformler og spredningsmatrixbaserede metoder. Partiklen er modelleret af enten en elektrisk dipol parallelt med det elektriske felt eller et par krydsede elektriske og magnetiske dipoler parallelt med henholdsvis de elektriske og magnetiske felter i den påførte bølge. Disse dipoler er de førende udtryk i multipolserien. De er de eneste eksisterende for en homogen sfære, hvis polariserbarhed let kan opnås fra Mie -spredningskoefficienterne . Generelt er denne procedure kendt som "point-dipol approximation", som er en god tilnærmelse til metamaterialer bestående af kompositter af elektrisk små kugler. Fordele ved disse metoder inkluderer lave beregningsomkostninger og matematisk enkelhed.

Tre forestillinger-negativt indeksmedium, ikke-reflekterende krystal og superlens er grundlag for metamaterialteorien. Andre første principteknikker til analyse af triply-periodiske elektromagnetiske medier kan findes i Computing fotonisk båndstruktur

Institutionelle netværk

MURI

The Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) omfatter snesevis af universiteter og et par offentlige organisationer. Deltagende universiteter omfatter UC Berkeley, UC Los Angeles, UC San Diego, Massachusetts Institute of Technology og Imperial College i London. Sponsorerne er Office of Naval Research og Defense Advanced Research Project Agency .

MURI understøtter forskning, der skærer mere end en traditionel videnskabs- og ingeniørdisciplin for at fremskynde både forskning og oversættelse til applikationer. Fra 2009 forventedes 69 akademiske institutioner at deltage i 41 forskningsindsatser.

Metamorfose

Det virtuelle institut for kunstige elektromagnetiske materialer og metamaterialer "Metamorphose VI AISBL" er en international sammenslutning for at fremme kunstige elektromagnetiske materialer og metamaterialer. Det organiserer videnskabelige konferencer, understøtter specialiserede tidsskrifter, opretter og administrerer forskningsprogrammer, tilbyder uddannelsesprogrammer (herunder ph.d. og uddannelsesprogrammer for industrielle partnere); og teknologioverførsel til europæisk industri.

Se også

Referencer

eksterne links