Причина отклонения луча света в стекле или воде заключается в том, что свет замедляется, когда он попадает в плотный, прозрачный материал. В идеальном вакууме скорость света постоянна, но в стекле или воде свет «проходит» через скопление триллионов атомов и поэтому замедляется.
Я знаю точно, невозможное возможно: что такое метаматериалы
Греческая приставка «мета-» означает «из», «над». Метаматериалы — это «сверхматериалы», свойства которых не встречаются в природе. Они настолько удивительны, что в 2010 году журнал Science назвал метаматериалы одной из идей десятилетия. Давайте посмотрим, что это такое и как они помогут экономике страны.
В контексте метаматериалов мы обычно говорим об их необычном взаимодействии с электромагнитными волнами (но подробнее об этом мы скажем ниже). Чтобы понять, что происходит внутри метаматериала, давайте вспомним немного теоретической физики.
Электромагнитные волны представляют собой широкий спектр, включающий, например, радиоволны, микроволны, видимый свет и рентгеновские лучи. Скорость этих волн в вакууме постоянна и составляет 300 000 км/с. Однако когда свет попадает в другую среду (например, в воду или воздух), его скорость уменьшается — в воде она составляет уже 225 тыс. км/с. Это происходит потому, что волна взаимодействует с частицами, из которых состоит сама среда. Это также является причиной того, что электромагнитные волны отклоняются от своего первоначального пути, т.е. преломляются.
Углы преломления при переходе от одной среды к другой рассчитываются по формулам. Для любого физического материала эти углы всегда положительны. Однако законы физики не запрещают им быть отрицательными. И если да, то что мешает нам создать материал с такими свойствами?
Свойства метаматериалов зависят не от элементов, из которых они состоят, а от того, как эти элементы расположены. Метаматериалы изготавливаются из композитов металлов и пластмасс, элементы которых структурированы в повторяющиеся узоры и размер которых меньше длины волны, с которой материал не должен взаимодействовать. Таким образом, волны могут быть поглощены, блокированы или отклонены.
Материал-невидимка
В настоящее время многочисленные научные группы изучают метаматериалы, взаимодействующие с электромагнитными волнами. Эти разработки в основном направлены на эффективное сокрытие, в идеале — полностью невидимых объектов.
Поскольку метаматериал имеет отрицательный коэффициент преломления, его можно использовать для сокрытия объектов в одном из диапазонов электромагнитных волн. Таким образом, корабли и самолеты могут стать «невидимыми» для радаров, что, безусловно, понравится военным.
Конечно, проще производить метаматериалы для длинных волн. Чем короче длина, тем сложнее, потому что, как мы помним, структурные элементы должны быть короче длины волны. Более того, метаматериал может взаимодействовать только с одной полосой. Например, первый метаматериал, работающий с видимым светом, был разработан в 2007 году и предназначался только для красного цвета. Если мы хотим сделать объект невидимым одновременно в нескольких частотных диапазонах (например, для радио- и микроволн), нам понадобится несколько метаматериалов с разными свойствами.
Поэтому создание плаща-невидимки, как у Гарри Поттера, пока технически неосуществимо. Для этого потребуется своего рода «составной» метаматериал для каждой длины волны видимого спектра, который должен «работать» синхронно.
Однако, что возможно, так это создание гиперлинз, которые могут видеть объекты меньше дифракционного предела. Такая возможность была описана Джоном Пендри, который со своей командой развил теоретические исследования советского физика Виктора Веселаго.
Из-за дифракции все линзы имеют «предел видимости»: если объект меньше определенного размера, его физически невозможно увидеть. Однако в 2005 году была представлена суперлинза, которая может видеть объект размером 60 нанометров, в то время как дифракционный предел обычной линзы составляет 400 нанометров.
Благодаря метаматериалам можно создать оптическую черную дыру — объект, поглощающий электромагнитные волны. Такая разработка продвинет развитие фотовольтаики и позволит производить очень эффективные солнечные батареи.
Уже продаются антенны из метаматериалов. Они мощнее и меньше обычных устройств.
Фантастические свойства и где они обитают
Как упоминалось ранее, метаматериалы могут взаимодействовать не только с электромагнитными волнами. Например, в 2019 году группа исследователей из Бостонского университета представила метаматериал, который поглощает звуковые волны. Физика взаимодействия здесь такая же, как и для электромагнитных волн. Новый материал улавливает 94% звука. Эта разработка, конечно, будет полезна военным, которые смогут сделать свои машины для убийства тише, а также всем, кто страдает от шумных соседей.
Удивительно, но сейсмические волны можно поглощать, подобно наушникам. Такие материалы могут быть использованы в сейсмоопасных районах и уменьшить ущерб от стихийных бедствий.
Структурные метаматериалы интересны тем, что их элементы организованы подобно структурным балкам или фермам. Они изготавливаются с помощью микростереолитографии, которая по сути является трехмерной печатью, только с микроскопическими размерами. Таким образом, можно получить чрезвычайно легкий, но чрезвычайно прочный материал, который может выдержать, например, 160 000 раз больше собственного веса.
Разработка метаматериалов только начинается, но уже ясно, что они могут придать нам фантастические свойства и изменить наш мир до неузнаваемости.
Прохождение света через метаматериал с показателем преломления «против часовой стрелки»
Одним из возможных свойств метаматериалов является отрицательный (или против часовой стрелки) показатель преломления, который возникает, когда диэлектрическая и магнитная проницаемость отрицательны. Пример такого метаматериала показан на рисунке.
Основы эффекта
Уравнение для распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид
где — частота волны и квадрат показателя преломления. Из этих уравнений видно, что одновременная смена знаков в диэлектрической восприимчивости среды не влияет на эти соотношения.
«Правые» и «Левые» изотропные среды
Уравнение (1) было выведено на основе теории Максвелла. Для сред, в которых диэлектрическая восприимчивость среды положительна, три вектора электромагнитного поля — электрический, магнитный и волновой векторы — образуют систему так называемых правосторонних векторов:
\right = (\omega/c)\mu\vec,» width=»» height=»» />\right = -(\omega/c)\epsilon\vec.» width=»» height=»» />
Такие носители называют «правосторонними».
СМИ, которые одновременно являются негативными, называются «левосторонними». В таких средах электрические и магнитные векторы и волновые векторы образуют систему левосторонних векторов.
В англоязычной литературе эти средства обозначаются как правосторонние и левосторонние, или как RHM (правосторонние) и LHM (левосторонние).
Пропускание света через границу среды с положительным показателем преломления.
Передача света через границу сред, одна из которых имеет положительный, а другая — отрицательный коэффициент преломления.
Перенос энергии правой и левой волнами
Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга, который равен \vec \right » width=»» height=»» />. Вектор всегда образует правую тройку с векторами ,. Так, для веществ по часовой стрелке и направлены в одну сторону, а для против часовой стрелки — в разные стороны. Поскольку направление вектора совпадает с фазовой скоростью, ясно, что левовращающие вещества — это вещества с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Другими словами, в левовращающихся веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обратный эффект Доплера.
Дисперсия левой среды
Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно, то энергия волны и
Примеры распространения волны в левой среде
Двулучепреломляющая линза, изготовленная из материала с отрицательным коэффициентом преломления, отклоняет свет, а двулучепреломляющая линза фокусирует его.
Плоская параллельная пластина из материала с отрицательным коэффициентом преломления служит в качестве фокусирующей линзы. Красная точка представляет собой источник света.
Отражение луча, распространяющегося в среде с =2N\hbar\vec» width=»» height=»» />(N-число падающих фотонов). Небольшое давление света на поглощающую правую среду сменяется его притяжением к левой среде.
Суперлинза
Джон Пендри 3 и его коллеги утверждают в журнале Physical Review Letters, что можно превысить предел дифракционного разрешения обычной оптики для материалов с отрицательным коэффициентом преломления. В подходящей среде пространство изображения линзы не идентично самому объекту, так как формируется без затухающих волн. В левой среде ослабленные волны не ослабляются, но их амплитуда увеличивается по мере удаления волны от объекта, формируя изображение, включающее ослабленные волны, что даст изображения с разрешением выше дифракционного предела.
Это предложение Дж. Пендри было раскритиковано Виктором Веселаго как необоснованное.4 Поэтому в настоящее время обсуждается создание гиперлинз на основе сред против часовой стрелки5 и предпринимаются попытки изготовления линз.
Первая гиперлинза с отрицательным показателем преломления, которая была экспериментально продемонстрирована, имела разрешение в три раза лучше, чем дифракционный предел. Эксперимент проводился на микроволновых частотах 6. В оптической серии гиперлинза была представлена в 2005 году 7. Это была линза, которая не использовала отрицательное преломление, а использовала тонкий слой серебра для усиления ослабленных волн.
Обсуждаются последние достижения в разработке гиперлинз 8. Для создания гиперлинзы чередующиеся слои серебра и фторида магния были нанесены на подложку, на которую затем была нанесена наносетка. В результате была получена трехмерная композитная структура с отрицательным показателем преломления в ближней инфракрасной области 9. Во втором случае метаматериал был создан с помощью нанопроводов, электрохимически выращенных на пористой поверхности глинозема 10 .
В начале 2007 года было объявлено о создании метаматериала с отрицательным показателем преломления в видимом диапазоне. Показатель преломления материала при длине волны 780 нм составля л-0,6.
1 Общие понятия о метаматериалах 3
2 Структура метаматериалов 10
3 Механика метаматериалов 12
4 Законы геометрической оптики 14
5 Невидимые материалы 15
Актуальность исследования. В последние годы интенсивно исследуются явления, связанные с отрицательным коэффициентом преломления. Причиной активизации этих исследований является появление нового класса искусственно модифицированных материалов с особой структурой, так называемых метаматериалов.
Исследование проблематично. Метаматериалы, которые обсуждались на одном из заседаний Совета управляющих РАН, представляют собой искусственно созданные или синтетические среды; электромагнитные свойства метаматериалов определяются элементами их внутренней структуры, расположенными по определенной схеме на микроскопическом уровне. Таким образом, свойства этих материалов могут быть изменены для проявления более широкого спектра электромагнитных свойств, включая отрицательный коэффициент преломления. Некоторые метаматериалы преломляют или отражают электромагнитные волны (свет) совершенно иначе, чем реальный мир. Другие, такие как фотонные кристаллы, могут останавливать (улавливать) электромагнитные волны или направлять их по каналам (волноводам), по которым эти волны обычно не распространяются. В данной статье обсуждаются уникальные свойства метаматериалов.
Цель: изучить методы создания и использования метаматериалов.
Тема: Спектр применения метаматериалов.
1 Общие понятия о метаматериалах
Метаматериалы — это материалы, состоящие из разных материалов, или материалы с невероятно сложной структурой, или и то, и другое в одном.
Метаматериал — это материал, физические свойства которого обусловлены не столько физическими свойствами, сколько периодической, искусственной микроструктурой.1
Метаматериалы создаются путем включения в исходный физический материал различных периодических структур с очень разными геометрическими формами, которые изменяют диэлектрическую e и магнитную m восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие включения можно рассматривать как искусственные, чрезвычайно крупные атомы. Разработчик метаматериалов может выбирать из множества параметров при синтезе (размер структур, форма, фиксированный или переменный период между ними и т.д.).
Рисунок 1 Пример метаматериалов Метаматериалы не существуют в природе. Это чисто искусственные объекты, структура которых позволяет манипулировать свойствами света и добиваться захватывающих эффектов за счет возникающей неоднородности.
Одно из уникальных свойств некоторых типов метаматериалов заключается в том, что они могут эффективно преломлять падающий свет, так что объекты, покрытые слоем такого метаматериала, становятся совершенно невидимыми.
Не так давно существование метаматериалов считалось невозможным, поскольку они, казалось, нарушали законы оптики. Однако в 2006 году исследователям из Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина, и Имперского колледжа Лондона удалось опровергнуть это общепринятое мнение и сделать объект невидимым для микроволнового излучения с помощью метаматериалов2.
Метаматериалы создаются путем встраивания в материю крошечных имплантатов, которые заставляют электромагнитные волны двигаться по нетрадиционным путям. Отсюда приставка «метаматериалы» — «мета», что означает «вне», т.е. введение дополнительных элементов в основной материал.
В частности, ученые встроили множество крошечных электрических цепей в медные полоски, расположенные плоскими концентрическими кругами (все они немного напоминают конфорки электроплиты). В результате получается сложная структура из керамики, тефлона, композитных волокон и металлических элементов.
Крошечные имплантаты в меди позволяют отклонять и направлять микроволновое излучение в определенном направлении. Это можно сравнить с тем, как река обтекает валун. Вода очень быстро омывает валун, поэтому он не виден в реке и не может быть обнаружен. Аналогичным образом, метаматериалы способны непрерывно менять траекторию микроволн так, чтобы они обтекали определенный цилиндр, например, делая все внутри этого цилиндра невидимым для радиоволн (рис. 2).
Основной характеристикой метаматериалов является отрицательный (или против часовой стрелки) показатель преломления, выраженный одновременной отрицательностью диэлектрической и магнитной проницаемости.
Рисунок 2 — Радиоволны, проходящие через цилиндр.
Если метаматериал также может устранить все отражения и тени, объект становится полностью невидимым для этой формы излучения.
Ученые успешно продемонстрировали этот принцип с помощью устройства, состоящего из десяти колец из стекловолокна, покрытых медными элементами. Медное кольцо внутри устройства было практически невидимо для микроволнового излучения; оно лишь отбрасывало слабую тень.3
Не металлические частицы и поверхности
Другой пример структурного цвета был представлен исследователями из Харбинского технологического института и Университета Шаньси. Вместо металлических наночастиц они предложили использовать диоксид титана (TiO2). Одной из особенностей этого материала является довольно высокий коэффициент преломления (>2) по сравнению с другими материалами. Это свойство TiO2например, часто используется для изготовления фотонных кристаллов (один и два).
Основная идея заключается в использовании интерференции падающих и отраженных лучей для выбора нужной длины волны из спектра, которая придает структуре цвет. Моделируя и настраивая параметры структуры и соответствующие резонансные режимы в видимой части спектра, исследователи смогли управлять цветом, изменяя размер структурных элементов.
Предлагаемый процесс производства такого метаматериала включает в себя менее сложные технологические процедуры: Электронно-лучевая литография для создания шаблона и парового осаждения слоя диоксида титана с последующим растворением и удалением фоторезиста. Поэтому процесс производства проще, чем для описанных выше серебряных нанопластинок, где эти этапы повторяются несколько раз.
Процесс производства метаматериалов на основе TiO2(a) Схематическое изображение процесса. (b-c) Микрофотографии полученных структур (малое и большое увеличение, масштаб 100 микрометров и 500 нм, соответственно). (d-f) Продуцируемые узоры и соответствующие им цвета (масштаб 1 микрометр).
Получаемые узоры охватывают широкий спектр цветов: Есть синий, красный и зеленый оттенки. Если продолжить сравнение с плазмонными частицами, то метаматериалы на основе TiO2 демонстрируют больший охват цветовой шкалы.
Спектры отражения и соответствующие структурные цвета. (a) Смоделированный и экспериментально определенный спектр отражения одного из метаматериалов. (b) Расчетные (черный) и исправленные (красный) цвета согласно CIE 1931. (c-d) Зависимость цвета от периода полученной структуры и расстояния между соседними пирамидами.
Но авторы проекта на этом не остановились. Чтобы продемонстрировать применимость технологии для создания сложных цветных изображений, они «раскрасили» эмблему Харбинского университета. Они использовали разные цвета и оттенки.
Пример получения изображений из метаструктур TiO2(a) Электронный микрограф. Изображения в отраженном (b) и проходящем (c) свете. (d) Изображение с поляризованным светом. Шкальная метка — 159 микрометров
Оригинальная статья » Полноцветная печать с TiO2Метаповерхности» опубликована в журнале ACSNano (DOI: 10.1021/acsnano.7b00415).
Как на счёт обычного стекла?
Самый свежий пример на сегодняшний день — использование обычного стекла и не совсем обычной физики для создания метаматериалов и структурных цветов. Основная идея этой работы заключается в том, что можно использовать «мастер» штамп для печати практически на любой прозрачной поверхности, включая стекло. Под штамп с определенным рисунком заливается специальный гель, который застывает под ультрафиолетовым светом и превращается в материал со стеклоподобными свойствами. Этот метод называется литографией наноимпринтов.
Процесс изготовления метаматериалов. (a) Изготовление «матрицы» с помощью электронно-лучевой литографии. (b-d) Различные этапы процесса наноимпринт-литографии, в котором матричный рисунок «печатается» на гладком стекле путем полимеризации специального геля. (e) Изображение полученного рисунка с помощью оптического микроскопа. (f) Профиль «отпечатанного» рисунка (получаемые структуры имеют ширину около 200 микрометров и высоту всего 50-60 нанометров).
Образовавшиеся структуры могут иметь самую разную форму: прямые или изогнутые линии, впадины или, наоборот, массивные бугры. Если в качестве шаблона выбрать прямые линии, то получится обычная дифракционная картина, наблюдаемая в PIRC.
Однако если объединить несколько таких структур в одну (например, с разными периодами, толщиной полос и т.д.) и затем согнуть их, начинает работать непостижимая магия физики. Свет, который попадает в структуру в определенных точках и поглощается там, передается внутрь структуры, как внутрь оптического волокна, и выходит в других точках поверхности».
Фотографии двух образцов стекла, узоры которых были «скорректированы», чтобы показать разные цвета (a) или полное изображение (b). Важно. При различных условиях, таких как освещение, угол обзора и т.д., изображение не видно, см. видео.
Поэтому цвета буквально «появляются» только в определенных областях и под определенными углами обзора. Чтобы проиллюстрировать эффект, авторы исследования опубликовали соответствующие видеоролики:
- Три цветных пикселя появляются вместе лишь под определённых углом (видео 5 на сайте издательства и зеркало на Y.disk)
- На одном и том же месте может располагаться два совершенно разных объекта в зависимости от угла зрения (видео 6 на сайте издательства и зеркало на Y.disk)
Авторы статьи считают, что эта технология может быть использована в сфере безопасности (например, для защиты документов и данных), а также при создании дисплеев для смарт-очков.
Оригинальная статья «Color-Selective and Versatile Light Steering with up-Scalable Subwavelength Planar Optics» была опубликована в журнале ACSPhotonics (DOI: 10.1021/acsphotonics.7b00232).
Вместо заключения
За последние 10-15 лет в области метаматериалов был достигнут значительный прогресс. Каждый год ученые стремятся приблизить эту некогда естественную абстракцию к промышленному применению, делая метаматериалы мейнстримом и находя им конкретные применения.
- Наша продукция
- Презентации по направлениям
- Инжиниринг
- Консалтинг
- Металлообработка
- Моделирование
- Разработки
Понравилась ли вам статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и посетите рекламные ссылки!
