Метаматериали с отрицателен индекс на пречупване. Презентация към урока Пречупване на светлината. Метаматериали. Желан или действителен

Метаматериалите са специални композитни материали, които се получават чрез изкуствена модификация на въведените в тях елементи. Структурата се променя в наномащаба, което прави възможно промяната на размерите, формите и периодите на решетка на атома, както и други параметри на материала. Благодарение на изкуствената трансформация на структурата, модифицираният обект придобива напълно нови свойства, които материалите от естествен произход нямат.

Благодарение на горната трансформация се променят магнитната, диелектричната проницаемост, както и други физически показатели на избрания обект. В резултат на това трансформираните материали придобиват уникални оптични, радиофизични, електрически и други свойства, които откриват широки перспективи за развитие на научния прогрес. Работата в тази посока може да доведе до появата на напълно нови устройства и изобретения, които ще удивят въображението. Това са наметала невидимки, супер лещи и много други.

видове

Метаматериалите обикновено се класифицират според тяхната степен на пречупване:

Едномерен. При тях степента на пречупване постоянно се променя само в една посока в пространството. Такива материали са направени от слоеве от елементи, разположени успоредно и имащи различна степен на пречупване. Те са в състояние да демонстрират уникални свойства само в една посока на пространството, която е перпендикулярна на посочените слоеве.
2D. При тях степента на пречупване постоянно се мени само в 2 посоки на пространството. Такива материали в повечето случаи са направени от правоъгълни структури с пречупване m1 и разположени в среда с пречупване m2. В същото време елементи с пречупване m1 са разположени в двумерна решетка с кубична основа. В резултат на това такива материали могат да демонстрират свойствата си в 2 посоки на пространството. Но двуизмерността на материалите не се ограничава само до правоъгълник; тя може да бъде създадена с помощта на кръг, елипса или друга произволна форма.
Триизмерен. При тях степента на пречупване постоянно се мени в 3 посоки на пространството. Такива материали могат да бъдат условно представени като масив от области в обемен смисъл (елипса, куб и т.н.), разположени в триизмерна решетка.

Метаматериалите също се разделят на:

Проводници. Те преместват квазичастиците на значителни разстояния, но с малки загуби.
Диелектрици . Огледалата са в почти перфектно състояние.
полупроводници . Това са елементи, които могат например да отразяват квазичастици само с определена дължина на вълната.
Свръхпроводници . В тези материали квазичастиците могат да пътуват на почти неограничени разстояния.

Освен това има материали:

Нерезонансен.
Резонансен.

Разликата между резонансните материали и нерезонансните елементи е, че те имат диелектрична константа само при определена резонансна честота.

Метаматериалите могат да бъдат създадени с различни електрически свойства. Следователно те се разделят според тяхната относителна пропускливост:

DNG, тоест двойно отрицателни - пропускливостта е отрицателна.
ДПС, тоест двойно положителен - пропускливостта е положителна.
Здравей-Z, тоест повърхности с висок импеданс.
SNG, тоест единичен негатив - материали от смесен тип.
ДЗР, тоест двойна нула – материалът има пропускливост, равна на нула.

устройство

Метаматериалите са вещества, чиито свойства се осигуряват от микроскопична структура, въведена от хората. Те се синтезират чрез включване на периодични структури с различни геометрични форми в даден елемент от естествен произход, модифицирайки магнитната и диелектрична чувствителност на оригиналната структура.

Обикновено такива включвания могат да се считат за изкуствени атоми, които са доста големи по размер. По време на синтеза създателят на материала има възможност да му даде различни параметри, които се основават на формата и размера на структурите, променливостта на периода и други подобни. Благодарение на това е възможно да се получат материали с невероятни свойства.

Едни от най-известните такива елементи са фотонните кристали. Тяхната особеност се проявява чрез периодична промяна на степента на пречупване в пространството в една, две и три посоки. Благодарение на тези параметри материалът може да има зони, които могат или не могат да получат фотонна енергия.

В резултат на това, ако фотон с определена енергия (с необходимата честота и дължина на вълната), която не съответства на зоната на посочения кристал, се освободи върху определеното вещество, тогава той се отразява в обратна посока. Ако фотон с параметри, които съответстват на параметрите на разрешената зона, удари кристала, тогава той се движи по него. По друг начин кристалът действа като оптичен филтърен елемент. Ето защо тези кристали имат невероятно богати и ярки цветове.

Принцип на действие

Основната характеристика на изкуствено образуваните материали е периодичността на тяхната структура. Може да бъде 1D, 2Dили 3Dструктура. Всъщност те могат да имат много различни структури. Например, те могат да бъдат подредени като диелектрични елементи, между които ще има отворени телени пръстени. В този случай пръстените могат да се деформират от кръгли до квадратни.

За да се гарантира, че електрическите свойства се поддържат при всяка честота, пръстените са структурирани затворени. В допълнение, пръстените в дадено вещество често са подредени произволно. Осъзнаването на уникалните параметри на ново вещество става при резонанс на неговата честота, както и ефективната честота на електромагнитна вълна отвън.

Приложение

Метаматериалите са и ще продължат да бъдат широко използвани във всички области, където се използва електромагнитно излъчване. Това са медицина, наука, индустрия, космическо оборудване и много други. Днес се създават огромно количество електромагнитни материали, които вече се използват.

В радиофизиката и астрономията се използват специални покрития, които се използват отлично за защита на телескопи или сензори, които използват дълговълново лъчение.
В оптиката дифракционното пречупване също намира широко приложение. Например, вече е създадена суперлеща, която ни позволява да решим проблема с дифракционната граница на разделителната способност на стандартната оптика. В резултат на това първият експериментален образец на обектива демонстрира феноменална производителност; неговата разделителна способност е 3 пъти по-висока от съществуващата граница на дифракция.

В микроелектрониката метаматериалите могат да предизвикат истинска революция, която може да промени живота на почти всеки човек на Земята. Това може да доведе до появата на порядъци по-малки и невероятно ефективни устройства и антени за мобилни телефони. Благодарение на новите материали ще бъде възможно да се разшири плътността на съхранение на данни, което означава, че ще се появят дискове и много други електронни устройства, които ще могат да имат значително количество памет;
Създаване на невероятно мощни лазери. Благодарение на използването на материали с модифицирана структура вече се появяват мощни лазери, които с по-малко изразходвана енергия произвеждат порядък мощен и разрушителен светлинен импулс. В резултат на това може да се появят лазерни оръжия, които ще позволят да се свалят балистични ракети, намиращи се на разстояние десетки километри.

Индустриалните лазери ще могат ефективно да режат не само метални материали с дебелина няколко десетки милиметра, но и такива, които са с порядък по-големи.

Благодарение на новите лазерни системи ще се появят нови индустриални 3D принтери, които ще могат да отпечатват метални изделия бързо и с високо качество. По отношение на тяхното качество те практически няма да отстъпват на продуктите, произведени с помощта на типични методи за металообработка. Например, това може да бъде зъбно колело или друга сложна част, чието производство при нормални условия би изисквало много време и усилия.

Създаване на нови антирефлексни материали. Благодарение на тяхното създаване и използване ще бъде възможно да се създават изтребители, бомбардировачи, кораби, подводници, танкове, роботизирани системи, мобилни инсталации като Ярс и Сармат, които няма да бъдат видими за вражеските сензори и радари. Подобни технологии вече могат да се използват в изтребители от шесто и седмо поколение.

Още днес е възможно да се осигури „невидимост“ за технологията в терагерцовия честотен диапазон. В бъдеще ще бъде възможно да се създаде технология, която ще бъде невидима в целия честотен диапазон, включително „видима“ за човешкото око. Едно такова решение е мантията невидимка. В момента мантията невидимка вече може да скрие малки предмети, но има някои недостатъци.

Способност да се вижда през стените. Използването на нови изкуствени материали ще направи възможно създаването на устройства, които ще ви позволят да виждате през стените. Вече днес се създават устройства, които проявяват силен магнитен отговор на радиация в терахерцовия диапазон.
Създаване на блъф стена или несъществуващи „копия“ на военно оборудване. Метаматериалите ви позволяват да създадете илюзията за присъствието на обект на място, където той не съществува. Например, подобни технологии вече се използват от руската армия за създаване на много несъществуващи ракети, които „летят“ до истинската, за да заблудят системата за противоракетна отбрана на противника.

Изработена от метаматериал с удивителни оптични свойства, суперлещите могат да създават изображения с детайли, по-малки от дължината на вълната на използваната светлина.

Преди почти 40 години съветският учен Виктор Веселаго изложи хипотеза за съществуването на материали с отрицателен показател на пречупване (UFN, 1967, том 92, стр. 517). Светлинните вълни в тях трябва да се движат срещу посоката на разпространение на лъча и като цяло да се държат по удивителен начин, докато лещите, направени от тези материали, трябва да имат магически свойства и ненадминати характеристики. Всички известни вещества обаче имат положителен индекс на пречупване: след няколко години интензивни търсения Веселаго не намери нито един материал с подходящи електромагнитни свойства и неговата хипотеза беше забравена. За това се сетиха едва в началото на 21 век. (см.:).

Благодарение на скорошния напредък в науката за материалите, идеята на Веселаго беше възродена. Електромагнитните свойства на веществата се определят от характеристиките на атомите и молекулите, които ги образуват, които имат доста тесен диапазон от характеристики. Следователно свойствата на милионите познати ни материали не са толкова разнообразни. Въпреки това, в средата на 1990 г. учени от Центъра за технология на материалите. Маркони в Англия започва да създава метаматериали, които се състоят от макроскопични елементи и разпръскват електромагнитни вълни по напълно различен начин от всички известни вещества.

През 2000 г. Дейвид Смит и колеги от Калифорнийския университет в Сан Диего изработиха метаматериал с отрицателен индекс на пречупване. Поведението на светлината в него се оказа толкова странно, че теоретиците трябваше да пренапишат книги за електромагнитните свойства на веществата. Експериментаторите вече разработват технологии, които се възползват от удивителните свойства на метаматериалите, създавайки суперлещи, които могат да произвеждат изображения с детайли, по-малки от дължината на вълната на използваната светлина. С тяхна помощ ще бъде възможно да се правят микросхеми с наноскопични елементи и да се записват огромни количества информация на оптични дискове.

Отрицателно пречупване

За да разберем как възниква отрицателното пречупване, нека разгледаме механизма на взаимодействие на електромагнитното излъчване с материята. Електромагнитна вълна (като лъч светлина), преминаваща през него, кара електроните на атомите или молекулите да се движат. Това изразходва част от енергията на вълната, което се отразява на нейните свойства и характера на разпространение. За да се получат необходимите електромагнитни характеристики, изследователите избират химичния състав на материала.

Но както показва примерът с метаматериалите, химията не е единственият начин да се получат интересни свойства на материята. Електромагнитният отговор на даден материал може да бъде "проектиран" чрез създаване на малки макроскопични структури. Факт е, че обикновено дължината на електромагнитната вълна е с няколко порядъка по-голяма от размера на атомите или молекулите. Вълната „вижда“ не отделна молекула или атом, а колективната реакция на милиони частици. Това важи и за метаматериалите, чиито елементи също са значително по-малки от дължината на вълната.

Полето на електромагнитните вълни, както подсказва името им, има както електрически, така и магнитен компонент. Електроните в даден материал се движат напред и назад под въздействието на електрическо поле и в кръг под въздействието на магнитно поле. Степента на взаимодействие се определя от две характеристики на веществото: диелектрична проницаемост ε и магнитна проницаемост μ . Първият показва степента на реакция на електроните към електрическо поле, вторият - степента на реакция към магнитно поле. По-голямата част от материалите ε и μ повече от нула.

Оптичните свойства на веществото се характеризират с неговия индекс на пречупване п, което е свързано с ε и μ проста връзка: n = ± √(ε∙μ). Всички известни материали трябва да имат знак "+" пред квадратния корен и следователно да имат положителен индекс на пречупване. Въпреки това през 1968 г. Veselago показа, че веществата с отрицателни ε и μ индекс на пречупване птрябва да бъде по-малко от нула. Отрицателна ε или μ се получават, когато електроните в даден материал се движат в посока, обратна на силите, създадени от електрически и магнитни полета. Въпреки че това поведение изглежда парадоксално, не е толкова трудно да накарате електроните да се движат срещу силите на електрическите и магнитните полета.

Ако натиснете махалото с ръка, то ще се движи послушно в посоката на натискане и ще започне да трепти с така наречената резонансна честота. Като натискате махалото в такт с люлеенето, можете да увеличите амплитудата на трептенията. Ако го натиснете с по-висока честота, тогава ударите вече няма да съвпадат с трептенията във фаза и в един момент ръката ще бъде ударена от махало, движещо се към нея. По същия начин електроните в материал с отрицателен индекс на пречупване излизат от фаза и започват да се съпротивляват на „тласъците“ на електромагнитното поле.

Метаматериали

Ключът към този вид негативна реакция е резонансът, тоест тенденцията да вибрира на определена честота. Създава се изкуствено в метаматериал с помощта на малки резонансни вериги, които симулират реакцията на вещество към магнитно или електрическо поле. Например, в резонатор със счупен пръстен (RRR), магнитен поток, преминаващ през метален пръстен, предизвиква кръгови токове в него, подобни на токовете, които причиняват магнетизма на някои материали. И в решетка от прави метални пръти електрическото поле създава токове, насочени по тях.

Свободните електрони в такива вериги трептят с резонансна честота, в зависимост от формата и размера на проводника. Ако се приложи поле с честота под резонансната честота, ще се наблюдава нормален положителен отговор. Въпреки това, когато честотата се увеличава, отговорът става отрицателен, точно както в случая на махало, което се движи към вас, ако го натиснете с честота над резонансната. По този начин проводниците в определен честотен диапазон могат да реагират на електрическо поле като среда с отрицателна стойност ε , а пръстените с разрези могат да имитират материал с негатив μ . Тези проводници и пръстени с разрези са елементарните блокове, необходими за създаването на широка гама от метаматериали, включително тези, които Веселаго търсеше.

Първото експериментално потвърждение за възможността за създаване на материал с отрицателен индекс на пречупване е получено през 2000 г. в Калифорнийския университет в Сан Диего ( UCSD). Тъй като основните градивни елементи на метаматериала трябва да са много по-малки от дължината на вълната, изследователите са работили с радиация с дължина на вълната от сантиметър и са използвали елементи с размери няколко милиметра.

Калифорнийски учени са проектирали метаматериал, състоящ се от редуващи се проводници и RKR, събрани под формата на призма. Проводниците предоставиха отрицателен ε , и пръстени с изрезки - негатив μ . Резултатът трябваше да бъде отрицателен индекс на пречупване. За сравнение, от тефлон е направена призма с точно същата форма, която п= 1,4. Изследователите насочват лъч микровълново лъчение към ръба на призмата и измерват интензитета на вълните, излизащи от нея под различни ъгли. Както се очакваше, лъчът беше положително пречупен от тефлоновата призма и отрицателно пречупен от метаматериалната призма. Предположението на Веселаго се превърна в реалност: най-накрая беше получен материал с отрицателен коефициент на пречупване. Или не?

Желан или действителен?

Експерименти в UCSDзаедно със забележителните нови прогнози, които физиците правеха за свойствата на материали с отрицателен индекс на пречупване, предизвика вълна от интерес сред други изследователи. Когато Веселаго изрази своята хипотеза, метаматериалите все още не съществуват и експертите не са проучили внимателно феномена на отрицателното пречупване. Сега те започнаха да й обръщат много повече внимание. Скептиците питат дали материалите с отрицателен индекс на пречупване нарушават основните закони на физиката. Ако това се окаже така, цялата изследователска програма ще бъде поставена под въпрос.

Най-разгорещеният дебат беше предизвикан от въпроса за скоростта на вълната в сложния материал. Светлината се движи във вакуум с максимална скорост c= 300 хиляди км/с. Скоростта на светлината в материала е по-малка: v =c/n. Но какво се случва, ако потрицателен? Една проста интерпретация на формулата за скоростта на светлината показва, че светлината се движи в обратна посока.

По-пълният отговор отчита, че вълната има две скорости: фазова и групова. За да разберете значението им, представете си импулс от светлина, движещ се през среда. Ще изглежда по следния начин: амплитудата на вълната се увеличава до максимум в центъра на импулса и след това отново намалява. Фазовата скорост е скоростта на отделните импулси, а груповата скорост е скоростта, с която се движи импулсната обвивка. Не е задължително да са еднакви.

Веселаго откри, че в материал с отрицателен индекс на пречупване груповата и фазовата скорости се движат в противоположни посоки: отделните максимуми и минимуми се движат назад, докато целият импулс се движи напред. Интересно е да се разгледа как ще се държи непрекъснат лъч светлина от източник (например прожектор), потопен в материал с отрицателен индекс на пречупване. Ако можехме да наблюдаваме отделни трептения на светлинна вълна, щяхме да ги видим да се появяват върху обект, осветен от лъча, да се движат назад и в крайна сметка да изчезнат в светлината на прожекторите. Енергията на светлинния лъч обаче се движи напред, отдалечавайки се от източника на светлина. Именно в тази посока всъщност се разпространява лъчът, въпреки изненадващото движение назад на отделните му трептения.

На практика е трудно да се наблюдават отделни трептения на светлинна вълна, а формата на импулса може да бъде много сложна, така че физиците често използват хитър трик, за да покажат разликата между фазовите и груповите скорости. Когато две вълни с леко различни дължини на вълните се движат в една и съща посока, те се намесват, създавайки модел от удари, чиито пикове се движат с групова скорост.

Прилагането на тази техника към експеримента UCSDпречупване през 2002 г. Прашант М. Валанджу и колегите му от Тексаския университет в Остин наблюдават нещо интересно. Пречупвайки се на границата между среди с отрицателен и положителен индекс на пречупване, две вълни с различни дължини на вълната се отклоняват под леко различни ъгли. Моделът на биене се оказа не такъв, какъвто трябваше да бъде за лъчи с отрицателно пречупване, а такъв, какъвто трябваше да бъде с положително пречупване. Сравнявайки модела на ударите с груповата скорост, изследователите от Тексас заключиха, че всяка физически осъществима вълна трябва да има положително пречупване. Въпреки че може да съществува материал с отрицателен индекс на пречупване, отрицателно пречупване не може да бъде постигнато.

Как тогава можем да обясним резултатите от експериментите в UCSD? Валанжу и много други изследователи приписват наблюдаваното отрицателно пречупване на други явления. Може би пробата е погълнала толкова много енергия, че вълните излизат само от тясната страна на призмата, симулирайки отрицателно пречупване? В крайна сметка, метаматериал UCSDнаистина поглъща силно радиацията и измерванията са извършени близо до призмата. Следователно хипотезата за абсорбцията изглежда доста правдоподобна.

Констатациите бяха много тревожни: те можеха да обезсилят не само експериментите UCSD, но и цялата гама от явления, предсказани от Веселаго. Въпреки това, след известен размисъл, ние осъзнахме, че не можем да разчитаме на модела на ритъма като индикатор за груповата скорост: за две вълни, движещи се в различни посоки, моделът на смущение няма нищо общо с груповата скорост.

Когато аргументите на критиците започнаха да се разпадат, се появиха нови експериментални доказателства за отрицателно пречупване. Група Минас Таниелиан ( Минас Таниелиан) от компанията Boeing Phantom работив Сиатъл повториха експеримента UCSDс призма от метаматериал с много ниска абсорбция. В допълнение, сензорът е разположен много по-далеч от призмата, така че абсорбцията в метаматериала да не може да бъде объркана с отрицателното пречупване на лъча. Превъзходното качество на новите данни слага край на съмненията относно съществуването на отрицателно пречупване.

Следва продължение

Когато димът от битката се разнесе, започнахме да осъзнаваме, че забележителната история, разказана от Веселаго, не е последната дума на материалите с отрицателен индекс. Съветският учен използва метода за геометрично конструиране на светлинните лъчи, като отчита отражението и пречупването на границите на различни материали. Тази мощна техника ни помага да разберем например защо обектите в плувен басейн изглеждат по-близо до повърхността, отколкото са в действителност, и защо молив, потопен наполовина в течност, изглежда огънат. Работата е там, че индексът на пречупване на водата ( п= 1,3) е по-голяма от тази на въздуха и светлинните лъчи се пречупват на границата между въздух и вода. Коефициентът на пречупване е приблизително равен на съотношението на реалната дълбочина към видимата дълбочина.

Veselago използва проследяване на лъчи, за да предвиди, че лъчът е направен от материал с отрицателен индекс на пречупване п= −1 трябва да действа като леща с уникални свойства. Повечето от нас са запознати с лещи, направени от положителни пречупващи материали - в камери, лупи, микроскопи и телескопи. Те имат фокусно разстояние и къде се формира изображението зависи от комбинация от фокусното разстояние и разстоянието между обекта и лещата. Изображенията обикновено се различават по размер от обекта и лещите работят най-добре за обекти, които лежат на ос през лещата. Обективът Veselago работи напълно различно от конвенционалните: работата му е много по-проста, засяга само обекти, разположени до него, и прехвърля цялото оптично поле от едната страна на лещата към другата.

Обективът на Веселаго е толкова необичаен, че Джон Пендри ( Джон Б. Пендри) Трябваше да се чудя: колко перфектно може да работи? И по-специално, каква може да бъде максималната резолюция на обектива Veselago? Оптичните елементи с положителен индекс на пречупване са ограничени от границата на дифракция - те могат да разрешават характеристики, които са равни или по-големи от дължината на вълната на светлината, отразена от обекта. Дифракцията поставя крайно ограничение на всички системи за изображения, като най-малкия обект, който може да се види с микроскоп, или най-малкото разстояние между две звезди, което телескопът може да разреши. Дифракцията определя и най-малкия детайл, който може да бъде създаден в процеса на оптична литография за производство на микрочипове (чипове). По същия начин дифракцията ограничава количеството информация, която може да бъде съхранена или прочетена на оптичен цифров видео диск (DVD). Начин за заобикаляне на границата на дифракцията може да революционизира технологията, позволявайки на оптичната литография да проникне в диапазона на наномащабите и вероятно да увеличи количеството данни, съхранявани на оптични дискове, стотици пъти.

За да определим дали отрицателната рефракционна оптика може действително да надмине конвенционалната („позитивна“) оптика, трябва да отидем по-далеч от това просто да гледаме пътя на лъчите. Първият подход пренебрегва дифракцията и по този начин не може да се използва за прогнозиране на разделителната способност на отрицателно пречупващи лещи. За да включим дифракцията, трябваше да използваме по-прецизно описание на електромагнитното поле.

Суперлещи

За да го опишем по-точно, електромагнитните вълни от всеки източник - излъчващи атоми, радиоантени или лъч светлина - след преминаване през малка дупка създават два различни вида полета: далечно поле и близко поле. Далечното поле, както показва името му, се наблюдава далеч от обект и се улавя от леща, образувайки изображение на обекта. За съжаление, това изображение съдържа само груба картина на обекта, в която дифракцията ограничава разделителната способност до дължината на вълната. Близкото поле съдържа всички фини детайли на даден обект, но неговият интензитет бързо намалява с разстоянието. Положителните рефракционни лещи не предлагат никакъв шанс за прихващане на изключително слабото близко поле и предаване на неговите данни в изображението. Това обаче не е вярно за лещите с отрицателно пречупване.

След като проучи подробно как близките и далечните полета на източника взаимодействат с лещата Веселаго, Пендри през 2000 г., за всеобща изненада, стигна до заключението, че лещата по принцип може да фокусира както близки, така и далечни полета. Ако това зашеметяващо предсказание се окаже вярно, това би означавало, че лещата Веселаго, за разлика от всички останали известни оптики, не е обект на границата на дифракция. Следователно плоска структура с отрицателно пречупване се нарича суперлеща.

В последващ анализ ние и други установихме, че разделителната способност на суперлещата е ограничена от качеството на нейния отрицателен пречупващ материал. За най-добро представяне трябва не само индексът на пречупване пе равно на −1, но също така, че и двете ε и μ са равни на −1. Обектив, за който тези условия не са изпълнени, има рязко влошена разделителна способност. Едновременното изпълнение на тези условия е много сериозно изискване. Но през 2004 г. Антъни Гърбич ( Антъни Гърбич) и Джордж Елефтериадес ( Джордж V. Елефтериадес) от университета в Торонто експериментално показаха, че метаматериал, конструиран да има ε =−1 и μ =−1 в радиочестотния диапазон, наистина може да разделя обекти в мащаб, по-малък от границата на дифракция. Техният резултат доказа, че суперлеща може да бъде построена, но може ли да бъде създадена за още по-къси оптични дължини на вълната?

Трудността при мащабирането на метаматериалите до оптични дължини на вълните има две страни. Първо, металните проводими елементи, които образуват метаматериалните чипове, като проводници и разделени пръстени, трябва да бъдат намалени до нанометрова скала, така че да са по-малки от дължината на вълната на видимата светлина (400-700 nm). Второ, късите дължини на вълните съответстват на по-високи честоти, а металите при такива честоти имат по-лоша проводимост, като по този начин потискат резонансите, на които се основават свойствата на метаматериалите. През 2005 г. Костас Суколис ( Костас Сукулис) от Университета на Айова и Мартин Уегенер ( Мартин Вегенер) от университета в Карлсруе в Германия експериментално демонстрираха, че е възможно да се направят прорезни пръстени, които работят при дължини на вълните до 1,5 микрона. Въпреки факта, че при такива къси дължини на вълните резонансът върху магнитния компонент на полето става много слаб, интересни метаматериали все още могат да се образуват с такива елементи.

Но все още не можем да направим материал, който при дължини на вълните на видимата светлина да води до μ =−1. За щастие е възможен компромис. Когато разстоянието между обекта и изображението е много по-малко от дължината на вълната, трябва да бъде изпълнено само условието ε =−1 и стойността на μ може да бъде пренебрегната. Само миналата година групата на Ричард Блейки ( Ричард Блейки) от университета в Кентърбъри в Нова Зеландия и групата на Сянг Джанг ( Сян Джан) от Калифорнийския университет в Бъркли, следвайки тези насоки, независимо демонстрира супер разделителна способност в оптична система. При оптични дължини на вълните вътрешните резонанси на метала могат да доведат до отрицателна диелектрична константа (ε). Следователно, много тънък слой метал при дължина на вълната, където ε = −1, може да действа като суперлеща. И Блейки, и Джанг са използвали слой сребро с дебелина около 40 nm, за да изобразят лъчи от 365 nm светлина, излъчвана от оформени дупки, по-малки от дължината на вълната на светлината. Въпреки че сребърният филм далеч не беше идеален обектив, сребърният суперлещ значително подобри разделителната способност на изображението, доказвайки, че основният принцип на суперлещата е правилен.

С поглед към бъдещето

Демонстрацията на суперлещите е само най-новата от многото предсказания за свойствата на отрицателно пречупващите се материали, знак за бързия прогрес, който се случва в тази разширяваща се област. Възможността за отрицателно пречупване принуди физиците да преразгледат почти цялата област на електромагнетизма. И когато тази гама от идеи бъде напълно разбрана, основните оптични явления като пречупване и границата на разделителната способност на дифракцията ще трябва да бъдат преразгледани, за да се вземат предвид новите неочаквани обрати, свързани с отрицателно пречупващите материали.

Магията на метаматериалите и магията на отрицателното пречупване все още трябва да бъдат „преобразувани“ в приложна технология. Такава стъпка ще изисква подобряване на дизайна на метаматериалите и производството им на разумна цена. Сега има много изследователски групи в тази област, енергично разработващи начини за решаване на проблема.

Теория и практика на Виктор Веселаго

Интересна шега му изигра съдбата на Виктор Георгиевич Веселаго, доктор на физико-математическите науки, служител на IOFAN и професор в Московския физико-технологичен институт. След като посвети целия си живот на практика и експеримент, той получи международно признание за теоретичното си предсказание на едно от най-интересните явления на електродинамиката.

Съдбовен инцидент

Виктор Георгиевич Веселаго е роден на 13 юни 1929 г. в Украйна и според него до определен момент не се е интересувал от физика. И тогава се случи един от онези съдбовни инциденти, които променят не само посоката на живота на човека, но и в крайна сметка вектора на развитие на науката. В седми клас момчето се разболя и, за да мине времето, започна да чете всички книги подред. Сред тях беше „Какво е радио?“ Кина, след като прочете, ученикът сериозно се интересува от радиотехниката. В края на десети клас, когато възникна въпросът за избора на университет, един от моите приятели спомена, че в Московския университет се отваря нов физико-технически факултет, където освен други специалности има и радиофизика.

Кандидатите в Техническия факултет на Московския държавен университет трябваше да издържат „маратон“ от девет изпита. Още на първия от тях - писмена математика - Веселаго получи "двойка"... Днес той обяснява това "неудобство" с факта, че просто е бил объркан, попадайки в огромна публика, където буквално се е чувствал като зрънце пясък. На следващия ден, когато дойде да вземе документите си, заместник-деканът Борис Осипович Солонуц (който зад гърба му наричаха просто BOS) го посъветва да дойде на следващия изпит. Тъй като нямаше какво да губи, младежът направи точно това. Издържах всички останали осем изпита с директен A и ме приеха. По-късно, много години по-късно, се оказа, че има доста такива „губещи“ и деканатът реши да не отсява кандидатите въз основа на резултатите от първия изпит.

След това имаше четири години обучение, което Виктор Георгиевич сега нарича най-щастливото време в живота си. На студентите изнасяха лекции от светила като Пьотр Леонидович Капица, Лев Давидович Ландау... Виктор Веселаго прекарва летния си стаж в радиоастрономическа станция в Крим, където се запознава с нейния директор, служителя на ФИАН професор Семьон Емануилович Хайкин. Оказа се, че именно той е написал самата книга „Какво е радио?“, подписвайки се с псевдонима Кийн.

През 1951 г. Физико-техническият факултет на Московския държавен университет е затворен - той „прераства“ в Московския физико-технологичен институт, а студентите от бившия Физико-технологичен факултет са разпределени в други факултети. Виктор Георгиевич се озовава във Физическия факултет на Московския държавен университет и официално го завършва, но смята себе си за възпитаник на Физико-техническия институт. Веселаго защитава дисертацията си при Александър Михайлович Прохоров във Физическия институт. П. Н. Лебедев, където по-късно продължава да работи под негово ръководство. Първо - във ФИАН, а от 1982 г. до днес - в отделилия се от него Институт по обща физика (ИОФАН, който сега носи името на А. М. Прохоров).

Конструкция на "Соленоид"

За да се получат свръхсилни магнитни полета, през 60-те години Физическият институт „Лебедев“ изгражда инсталация, наречена „Соленоид“. GIPRONII участва в проектирането, но Виктор Георгиевич сам разработи основните елементи на проекта. Той все още смята, че едно от най-важните му постижения, освен научните, е рампата, която позволява на първия етаж да се качват колички с тежко оборудване. За създаването на инсталация за създаване на силни магнитни полета Веселаго, заедно с редица служители на Физическия институт „Лебедев“ и други научни организации, получиха Държавна награда през 1974 г.

Ляво и дясно

През 60-те години Виктор Георгиевич се интересува от материали, които са едновременно полупроводници и феромагнетици. През 1967 г. в списание Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) той публикува статия, озаглавена „Електродинамика на вещества с едновременно отрицателни стойности на ε и μ“, където за първи път е въведен терминът „вещества с отрицателен индекс на пречупване n“ и бяха описани техните възможни свойства.

Както обясни ученият, свойствата на полупроводниците се описват чрез стойността епсилон (ε) - диелектрична константа, а магнитните свойства чрез стойността mu (μ) - магнитна проницаемост. Тези количества обикновено са положителни, въпреки че са известни вещества, при които ε е отрицателно, а μ е положително, или обратното. Веселаго се чудеше: какво ще стане, ако и двете количества са отрицателни? От математическа гледна точка това е възможно, но от физическа гледна точка? Виктор Георгиевич показа, че такова състояние не противоречи на законите на природата, но електродинамиката на такива материали е значително различна от тези, където и в същото време е по-голяма от нула. На първо място, фактът, че в тях фазовите и груповите скорости на електромагнитните вибрации са насочени в различни посоки (в нормална среда - в една посока).

Веселаго нарече материалите с отрицателен индекс на пречупване „леви“, а тези с положителен индекс на пречупване съответно „десни“, въз основа на относителната позиция на трите вектора, характеризиращи разпространението на електромагнитни трептения. Пречупването на границата на две такива среди става огледално по отношение на оста z.

След като теоретично обоснова своите идеи, Виктор Георгиевич се опита да ги приложи на практика, по-специално в магнитните полупроводници. Въпреки това не беше възможно да се получи необходимия материал. Едва през 2000 г. група учени от Калифорнийския университет в Сан Диего в САЩ, използвайки композитна среда, доказват, че отрицателното пречупване е възможно. Изследванията на Виктор Веселаго не само положиха основите на ново научно направление (виж: Д. Пандри, Д. Смит. В търсене на суперлещи), но също така направиха възможно изясняването на някои физични формули, описващи електродинамиката на веществата. Факт е, че редица формули, дадени в учебниците, са приложими само в така нареченото немагнитно приближение, тоест когато магнитната проницаемост е равна на единица, а именно за специалния случай на немагнитни материали. Но за вещества, чиято магнитна проницаемост е различна от единица или отрицателна, са необходими други, по-общи изрази. Веселаго също смята изтъкването на това обстоятелство за важен резултат от работата си.

Стъпете в бъдещето

След пророческата статия изследователят, верен на принципа за смяна на темите на всеки 5-6 години, се интересува от нови области: магнитни течности, фотомагнетизъм, свръхпроводимост.

Като цяло, според спомените му, по време на работата си във ФИАН-ИОФАН той е преминал стандартния път на „съветски учен“ - от аспирант до доктор на науките, ръководител на катедрата по силни магнитни полета, която от края на 80-те години включва около 70 души, работещи в 5-7 различни направления. Всъщност катедрата беше малък институт в института, който през това време произведе повече от 30 кандидати на науките.

Сега Виктор Георгиевич ръководи лабораторията по магнитни материали на отдела за силни магнитни полета на IOFAN на име. А. М. Прохорова. За поредица от трудове „Основи на електродинамиката на среди с отрицателен индекс на пречупване” през 2004 г. е награден с наградата на академик V.A. Фока.

Виктор Георгиевич преподава в Московския физико-технически институт повече от 40 години. Сега той е професор в катедрата по приложна физика на Факултета по физика и енергийни проблеми, преподава създадения от него курс „Основи на физиката на трептенията“, а също така провежда семинарни и лабораторни занятия в катедрата по обща физика.

В. Г. Веселаго принадлежи към рядък тип учен, който се характеризира с широта на научните интереси. Той е отличен теоретик и в същото време физик експериментатор, инженер, проектант на инсталации със силни магнитни полета. Той също е талантлив като професор, като има голям принос за преподаването на обща физика в MIPT и наставничество на много студенти. Именно тези черти на учения правят личността на Виктор Георгиевич толкова привлекателна.

Нашествие в световната мрежа

През последните 15 години физикът отново промени, или по-скоро разшири кръга си от интереси, като стана инициатор на два мрежови проекта.

През 1993 г. е организирана услугата Infomag, разпространяваща сред учените оглавления на научни и технически списания и чуждестранни научни електронни бюлетини. Всичко започна с факта, че IOFAN беше един от първите, които бяха свързани с интернет. След като придоби първия си имейл адрес, Веселаго се интересува от телеконференции по физика и започва да получава бюлетина Актуализация на новини по физика, които препрати на колегите си. След това той организира разпространението на съдържание и други научни списания. Първите публикации, които предоставиха информация на услугата Infomag, бяха Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP), Letters to JETP и Instruments and Experimental Techniques. Сега списъкът включва повече от 150 позиции.

Успехът на Infomag допринесе за създаването на второто „детище“ на Веселаго - първото електронно научно списание в Русия с множество предмети „Изследвани в Русия“, което започна своето съществуване през 1998 г. Излиза само в електронен вид и публикува около 250 статии годишно, както от областта на естествените, така и от хуманитарните науки.

Според Виктор Георгиевич нуждата от електронни научни публикации в Русия е много голяма не само като самостоятелни звена, но и в рамките на онлайн версии на печатни издания. В Русия се публикуват няколкостотин академични научни и технически списания, но по-голямата част от тях не са достъпни в електронен вид и следователно местните специалисти нямат бърз достъп до резултатите от работата на своите колеги, което пречи на ползотворното и бърз диалог между учените.

МОСКВА,26 септември - РИА Новости, Олга Коленцова.Понякога постиженията на съвременните технологии могат да бъдат сбъркани с магия. Само че вместо магия работи точната наука. Една от областите на изследване, чиито резултати могат да послужат като илюстрация на свойствата на „приказните атрибути“, е разработването и създаването на метаматериали.

Математиците откриха начин да превърнат метаматериала в „лек компютър“Математиците са открили, че свойствата на метаматериалите могат на теория да бъдат променени, така че набор от няколко различни части от такива съединения да могат да извършват сложни математически операции върху единични лъчи светлина.

От чисто физическа гледна точка, метаматериалите са изкуствено формирани и специално конструирани структури, които имат непостижими в природата електромагнитни или оптични свойства, които се определят дори не от характеристиките на съставните им вещества, а именно от структурата подобни на външен вид могат да бъдат построени от едни и същи материали, но един ще има различна звукоизолация, а в друг дори ще чуете дишането на съседа си от апартамента отсреща. каква е тайната Само в способността на строителя да управлява предоставените средства.

В момента учените по материали вече са създали много структури, чиито свойства не се срещат в природата, въпреки че не излизат извън границите на физическите закони. Например, един от създадените метаматериали може да контролира звуковите вълни толкова брилянтно, че те държат малка топка във въздуха. Състои се от две решетки, сглобени с помощта на тухли, пълни с термопластични пръти, които са положени в модел „змия“. Звуковата вълна се фокусира като светлина в леща и изследователите смятат, че това устройство ще им позволи да развият контрола на звука до способността да променят посоката му, както сега променят пътя на светлинния лъч с помощта на оптика.

Друг метаматериал може да се пренареди. Предметът се сглобява от него без помощта на ръце, защото промяната на формата може да се програмира! Структурата на такъв „умен“ материал се състои от кубчета, всяка стена на които е изградена от два външни слоя полиетилен терефталат и един вътрешен слой от двустранна самозалепваща лента. Този дизайн ви позволява да промените формата, обема и дори твърдостта на обекта.

Но най-удивителните свойства са тези на оптичните метаматериали, които могат да променят визуалното възприятие на реалността. Те „работят“ в диапазона на дължината на вълната, който човешкото око може да види. Именно от такива материали учените създадоха плат, от който може да се направи наметало невидимка.

Вярно, засега само микрообект може да бъде направен невидим в оптичния диапазон.

Възможността за създаване на материал с отрицателен ъгъл на пречупване е предсказана още през 1967 г. от съветския физик Виктор Веселаго, но едва сега се появяват първите примери за реални структури с такива свойства. Поради отрицателния ъгъл на пречупване, светлинните лъчи се огъват около обект, правейки го невидим. Така наблюдателят забелязва само това, което се случва зад гърба на човека, носещ „чудното” наметало.

Последното постижение в създаването на оптични метаматериали принадлежи на руски учени от НИТУ "МИСИС". Освен това са използвани най-често срещаните „съставки“ - въздух, стъкло и вода. Работата на учените е публикувана в едно от най-високо оценените списания в света Scientific Reports издателска къщаПриродата. „всяка такава проба може да струва хиляди евро“, подчертава Алексей Башарин, изследовател в лабораторията за свръхпроводящи метаматериали на НИТУ „МИСИС“, кандидат на техническите науки. — В допълнение, вероятността от грешка при формирането на такава система е много висока дори при използването на най-високоточни инструменти, но ако създадете по-мащабен материал, който съдържа не оптичен (400-700 nm), а радио. вълни (с дължина 7-8 см), физиката на процеса на това мащабиране няма да се промени, но технологията за създаването им ще стане по-проста."

Изследвайки свойствата на създадените структури, авторите на работата показаха, че този тип вещества имат няколко практически приложения, на първо място, това са сензори на сложни молекули, тъй като последните, когато навлязат в полето на метаматериала, започват да. светят. По този начин могат да се определят дори единични молекули, което потенциално може да окаже значително влияние върху развитието например на съдебната медицина. В допълнение, такъв метаматериал може да се използва като светлинен филтър, изолиращ светлината с определена дължина от падащото лъчение. Той е приложим и като основа за създаване на свръхнадеждна магнитна памет, тъй като структурата на клетките на метаматериала ги предпазва от. обръщайки намагнитването един към друг и по този начин губейки информация.

Съотношение скорост на светлината свъв вакуум до фазова скорост vсветлина в околната среда:

наречен абсолютен индекс на пречупванетази среда.

ε - относителна диелектрична константа,

μ - относителна магнитна проницаемост.

За всяка среда, различна от вакуум, стойността пзависи от честотата на светлината и състоянието на средата (нейната температура, плътност и др.). За разредени среди (например газове при нормални условия).

Най-често индексът на пречупване на даден материал се помни, когато се разглежда ефектът от пречупването на светлината на границата между две оптични среди.

Това явление е описано Закон на Снел:

където α е ъгълът на падане на светлината, идваща от среда с коефициент на пречупване n 1, а β е ъгълът на пречупване на светлината в среда с коефициент на пречупване n 2.

За всички среди, които могат да бъдат намерени в природата, лъчите на падаща и пречупена светлина са от противоположните страни на нормалното, възстановено на границата между медиите в точката на пречупване. Въпреки това, ако официално заместим в закона на Снел n 2<0 , се реализира следната ситуация: лъчите на падаща и пречупена светлина са от едната страна на нормалата.

Теоретичната възможност за съществуването на уникални материали с отрицателен показател на пречупване е посочена от съветския физик В. Веселаго преди почти 40 години. Факт е, че индексът на пречупване е свързан с две други основни характеристики на материята, диелектричната константа ε и магнитна проницаемост μ , чрез проста връзка: n 2 = ε·μ. Въпреки факта, че това уравнение е изпълнено както от положителни, така и от отрицателни стойности на n, учените дълго време отказват да повярват във физическото значение на последното - докато Веселаго не показа, че п< 0 в случай, че по едно и също време ε < 0 и μ < 0 .

Естествените материали с отрицателна диелектрична проницаемост са добре известни - всеки метал с честоти над плазмената честота (при която металът става прозрачен). В този случай ε < 0 се постига поради факта, че свободните електрони в металния екран екранират външното електромагнитно поле. Много по-трудно е да се създаде материал μ < 0 , такива материали не съществуват в природата.

Отне 30 години, преди английският учен Джон Пендри да покаже през 1999 г., че може да се получи отрицателна пропускливост за проводящ пръстен с празнина. Ако поставите такъв пръстен в променливо магнитно поле, в пръстена ще възникне електрически ток и в пролуката ще се появи дъгов разряд. Тъй като индуктивността може да се припише на метален пръстен Л, а междината съответства на ефективния капацитет СЪС, системата може да се разглежда като прост колебателен кръг с резонансна честота ω 0 ~ 1/(LC) -1/2. В този случай системата създава свое собствено магнитно поле, което ще бъде положително при честотите на променливото магнитно поле ω < ω 0 и отрицателен при ω > ω 0 .

По този начин са възможни системи с отрицателен отговор както на електрическите, така и на магнитните компоненти на електромагнитното излъчване. Американски изследователи под ръководството на Дейвид Смит бяха първите, които комбинираха двете системи в един материал през 2000 г. Създаденият метаматериал се състоеше от метални пръти, отговорни за ε < 0 , и медни пръстеновидни резонатори, благодарение на които беше възможно да се постигне μ < 0 .

Несъмнено такава структура трудно може да се нарече материал в традиционния смисъл на думата, тъй като се състои от отделни макроскопични обекти. Междувременно тази структура е „оптимизирана“ за микровълново лъчение, чиято дължина на вълната е значително по-дълга от отделните структурни елементи на метаматериала. Следователно, от гледна точка на микровълните, последната също е хомогенна, като например оптичното стъкло за видима светлина. Чрез последователно намаляване на размера на структурните елементи е възможно да се създадат метаматериали с отрицателен индекс на пречупване за терахерца (от 300 GHz до 3 THz) и инфрачервения (от 1,5 THz до 400 THz) спектрални диапазони. Учените очакват, че благодарение на постиженията на съвременните нанотехнологии в съвсем близко бъдеще ще бъдат създадени метаматериали за видимия диапазон на спектъра.

Практическото използване на такива материали се свързва преди всичко с възможността за създаване на терагерцова оптика на тяхна основа, което от своя страна ще доведе до развитието на метеорологията и океанографията, появата на радари с нови свойства и инструменти за навигация при всякакви метеорологични условия, устройства за дистанционна диагностика на качеството на частите и системите за безопасност, които ви позволяват да откривате оръжия под дрехите, както и уникални медицински изделия.

Описание на презентацията по отделни слайдове:

1 слайд

Описание на слайда:

Метаматериали и нанотехнологии Физиците са се научили как да правят материали с удивителни свойства. Явленията на пълно вътрешно отражение на светлината в прозрачни среди, възникващи в тънки филми от материали, създадени с помощта на нанотехнологии, могат да се използват за управление на ултракъси лазерни и радиоимпулси. А покритията от тези материали, нанесени върху обект, могат да го направят „невидим“.

2 слайд

Описание на слайда:

Отрицателен индекс на пречупване. Пречупване на светлината на границата с материал с отрицателен индекс на пречупване. А. В природата при преминаване на границата на две среди лъчът, падащ върху нея косо, винаги продължава движението си в първоначалната посока, само под малко по-различен ъгъл - по-голям или по-малък, в зависимост от съотношението на показателите на пречупване. B. При пресичане на граница с метаматериал, който има отрицателен индекс на пречупване, лъчът изглежда „отразен“ от перпендикуляра в пресечната точка – тоест продължава да се движи в метаматериала, но ако падне от горния ляв , ще отиде по-надолу не надясно, а обратно наляво.

3 слайд

Описание на слайда:

Закон на Снел: Ако индексът на пречупване е отрицателен, тогава лъчът се пречупва в другата посока

4 слайд

Описание на слайда:

„Неестествено?“ В природата няма материали с отрицателен индекс на пречупване, така че снимките, илюстриращи работата на такива медии, изглеждат „неестествени“.

5 слайд

Описание на слайда:

Необходимо е елементите на метаматериала да имат размер от 10-100 nm (много по-малко от дължината на вълната).

6 слайд

Описание на слайда:

Оптичен микроскоп Физиците от Манчестър и Сингапур са проектирали оптичен микроскоп с рекордна разделителна способност, който може да разпознава 50-нанометрови детайли на изображението. Новият "наноскоп" работи на същия принцип, но не използва метаматериали, които са заменени от прости прозрачни сфери с диаметър няколко микрометра, направени например от силициев диоксид. Проведените експерименти убедително доказват, че поставянето на такива сфери на повърхността на пробите значително подобрява качеството на изображението и микроснимката на „риболовна мрежа“.

7 слайд

Описание на слайда:

Учените създадоха ново "наметало невидимка". Предложен е нов дизайн на наметало невидимка: то се състои от стъклени цилиндри и може да "скрие" метален прът с диаметър 15 микрона. Въпреки това ще бъде възможно да се скриете зад такова стъкло само от инфрачервеното око: все още не е постигната невидимост в по-широк диапазон от дължини на вълните.

8 слайд

Описание на слайда:

Шапката невидимка Досега шапката невидимка беше запазена територия на писателите на приказки и научна фантастика. Наскоро обаче всичко се промени и търсенето на „шапката на невидимостта“ се превърна в любимо забавление на някои физици - нова обещаваща посока в науката. Дует от публикации в Science and Nature описват насипни наноматериали, в които светлинните лъчи се огъват в „грешната“ посока, без да се абсорбират до точката, в която нищо не остава. Досега силното усвояване беше един от основните проблеми.