Material mit negativem Brechungsindex. Metamaterialien mit negativem Brechungsindex. Metamaterialien werden üblicherweise nach ihrem Brechungsgrad klassifiziert

Metamaterialien oder das „Unsichtbarkeits“-Dilemma.

Bericht abgeschlossen

Borovkov Ivan.

Einführung. Definition. Verwendung.

In der Wissenschaft ist es nicht oft notwendig, die Grundlagen einer Disziplin zu überdenken. Eine Ausnahme bildet die Optik durch die Schaffung von Metamaterialien.

Vladimir Shalaev, Mitglied des wissenschaftlichen Beirats der Skolkovo-Stiftung, Professor an der Purdue University (USA).

Wenn wir über ein bisher unbekanntes Thema, seine Eigenschaften und Vorteile sprechen, ist es ratsam, es gleich zu Beginn zu definieren. In dem Bericht habe ich mehr als zehn Definitionen von Metamaterial gleichmäßig verteilt, die die Natur eines bestimmten Themas auf unterschiedliche Weise offenbaren und vor allem dem Leser ermöglichen, besser zu verstehen, worüber wir sprechen.

Ich werde die grundlegenden Eigenschaften von Metamaterialien nennen, Beispiele für unglaubliche Dinge, die dank ihnen möglich wurden, sowie Beispiele für fantastische Dinge, die in Zukunft alltäglich werden. Lass uns gehen.

Metamaterial- ein Material, dessen natürliche Eigenschaften nicht so sehr durch natürliche physikalische Eigenschaften bestimmt werden, sondern durch die vom Menschen geschaffene periodische Mikrostruktur.

Metamaterialien werden synthetisiert, indem in das ursprüngliche natürliche Material verschiedene periodische Strukturen mit verschiedenen geometrischen Formen eingebracht werden, die die dielektrische ε- und magnetische μ-Suszeptibilität des ursprünglichen Materials verändern. In sehr grober Näherung kann man solche Einschlüsse als künstliche, extrem große Atome betrachten. Dem Entwickler von Metamaterialien steht bei der Synthese eine große Auswahl an freien Parametern zur Verfügung (Strukturgrößen, Form, konstante und variable Perioden zwischen ihnen usw.).

Metamaterialien kommen in der Natur nicht vor. Dabei handelt es sich ausschließlich um von Menschenhand geschaffene Objekte, die aufgrund der geschaffenen Heterogenität ihrer Struktur die Steuerung der Lichteigenschaften und die Erzielung spannender Effekte ermöglichen.

Das Hauptmerkmal von Metamaterialien ist ein negativer (oder linkshändiger) Brechungsindex, der sich zeigt, wenn die dielektrische und magnetische Permeabilität gleichzeitig negativ sind. Die erste theoretische Begründung für die Möglichkeit ihrer Existenz lieferte 1968 der sowjetische Physiker Viktor Veselago. Es ist merkwürdig, dass Veselagos Artikel zu diesem Thema in der Zeitschrift „Uspekhi Fizicheskikh Nauk“ die am häufigsten zitierte Veröffentlichung in der Geschichte dieser Publikation wurde.

Aufgrund einer Reihe von Einschränkungen war es lange Zeit nicht möglich, „funktionsfähige“ Metamaterialien zu erhalten. Doch kürzlich zeigte eine Gruppe von Wissenschaftlern um Vladimir Shalaev, dass im optischen Wellenlängenbereich tatsächlich Materialien mit negativem Brechungsindex erzeugt werden können, bei denen es praktisch keine Verluste gibt.

Die an der Purdue University geschaffenen Metamaterialien ähneln in ihrer Struktur einem Fischernetz, dessen Zellen aus Silber und Aluminiumoxid bestehen.

„Die Erstellung und Nutzung von Metamaterialien steht erst am Anfang. Dies ist die Aufgabe eines neuen Wissenschaftsgebiets – der Transformationsoptik“, sagte Shalaev.

„Man kann eine räumliche Verteilung der dielektrischen und magnetischen Permeabilität erzeugen und mit Licht verschiedene Tricks ausführen“, erklärte der Referent.

Metamaterialien ermöglichen es, so der Wissenschaftler, Licht auf die Nanoskala zu „bringen“ und weiter zu manipulieren. Beispielsweise werden Arbeiten im entsprechenden Bereich der Nanotechnologie – der Nanophotonik – die Entwicklung von Geräten ermöglichen, die Informationen viel schneller verarbeiten als bestehende Computer.

„Man kann Licht zwingen, sich um den gewünschten Teil des Raums zu biegen – und dann erhält man eine Unsichtbarkeitskappe“, nannte Shalaev das beliebteste Beispiel für die Verwendung von Metamaterialien.

„H.G. Wells formulierte das Problem mit nahezu wissenschaftlicher Präzision, als er seinen Unsichtbaren Mann schuf“, sagte der Wissenschaftler.

Allerdings gibt es laut dem Spezialisten noch viel mehr Interessantes in der Transformationsoptik. Es ist beispielsweise möglich, ein optisches Analogon eines Schwarzen Lochs zu erstellen – einen Raumbereich, der Licht in sich selbst anzieht. Sie können Licht „zwingen“, sich auf einen bestimmten Punkt im Raum zu konzentrieren. Und was absolut fantastisch ist, ist, dass Metamaterialien es (wenn auch noch theoretisch) ermöglichen, verschiedene Probleme der Kosmologie zu simulieren.

Die Grundlage der Wirkung.

Die faszinierende Einführung und die optimistische Sichtweise eines der weltweit führenden Nanotechnologen führten uns reibungslos zum theoretischen Teil der Beschreibung der Wirkung des negativen Brechungsindex von Licht, den die oben genannten Metamaterialien besitzen.

P der Durchgang von Licht durch die Grenze von Medien, von denen eines einen positiven Brechungsindex hatn1> 0 , das andere ist negativn2< 0 .

Durchgang von Licht durch die Grenze von Medien, in denen beide Brechungsindizes positiv sindn1 > 0 n2 > 0.

Die Gleichung für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem isotropen Medium hat die Form:

k 2 − (ω / C) 2 N 2 = 0 (1)

Wo k- Wellenvektor, ω - Wellenfrequenz, C- Lichtgeschwindigkeit, N 2 = εμ – Quadrat des Brechungsindex. Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, dass die gleichzeitige Änderung der Vorzeichen der dielektrischen ε- und magnetischen μ-Suszeptibilität des Mediums diese Beziehungen in keiner Weise beeinflusst.

Gleichung (1) wird auf der Grundlage der Maxwell-Theorie abgeleitet. Für Medien, in denen die dielektrische ε und die magnetische μ Suszeptibilität des Mediums gleichzeitig positiv sind, bilden drei Vektoren des elektromagnetischen Feldes – elektrisch und magnetisch und Welle – ein sogenanntes System. rechte Vektoren.

Solche Umgebungen werden dementsprechend als „rechts“ bezeichnet.

Medien, in denen ε und μ beide negativ sind, werden „linkshändig“ genannt. In solchen Medien bilden die elektrischen, magnetischen und Wellenvektoren ein System linkshändiger Vektoren.

Der von der Welle getragene Energiefluss wird durch den Poynting-Vektor bestimmt und ist gleich . Ein Vektor bildet mit Vektoren immer ein rechtes Tripel. Somit sind für Rechtshänder Substanzen und in eine Richtung gerichtet und für Linkshänder - in verschiedene Richtungen. Da der Vektor in seiner Richtung mit der Phasengeschwindigkeit übereinstimmt, ist klar, dass es sich bei den linksdrehenden Stoffen um Stoffe mit der sogenannten negativen Phasengeschwindigkeit handelt. Mit anderen Worten: Bei linksdrehenden Stoffen ist die Phasengeschwindigkeit dem Energiefluss entgegengesetzt. Bei solchen Substanzen wird beispielsweise ein umgekehrter Doppler-Effekt beobachtet.

Das Vorhandensein eines negativen Indikators für die Umgebung ist möglich, wenn dieser eine Frequenzstreuung aufweist. Wenn gleichzeitig ε< 0, μ < 0, то энергия волны W = ε E 2 + μ H 2 wird negativ sein (!). Die einzige Möglichkeit, diesen Widerspruch zu vermeiden, besteht darin, dass das Medium eine Frequenzdispersion aufweist und .

Beispiele für die Wellenausbreitung in einem linksdrehenden Medium.

Eine bikonvexe Linse aus einem Material mit negativem Brechungsindex defokussiert das Licht, während eine bikonkave Linse es fokussiert.

P Als Fokussierlinse dient eine planparallele Platte aus einem Material mit negativem Brechungsindex. Der rote Punkt stellt die Lichtquelle dar.

Reflexion eines Strahls, der sich in einem Medium ausbreitetN< 0 , von einer perfekt reflektierenden Oberfläche. Wenn ein Lichtstrahl von einem Körper reflektiert wird, erhöht er seinen Impuls um (N ist die Anzahl der einfallenden Photonen). Der Lichtdruck, den Licht auf das absorbierende rechtshändige Medium ausübt, wird durch seine Anziehung im linkshändigen Medium ersetzt.

Erfolge.

Superlinse.

John Pendry und seine Kollegen Briefe zur körperlichen Untersuchung behaupten, dass es in Materialien mit negativem Brechungsindex möglich ist, die Beugungsgrenze der Auflösung herkömmlicher Optiken zu überwinden. In der richtigen Umgebung ist der Bildraum des Objektivs nicht identisch mit dem Objekt selbst, weil es entsteht ohne abklingende Wellen. Im linken Medium werden evaneszente Wellen nicht gedämpft; im Gegenteil, ihre Amplitude nimmt zu, wenn sich die Welle vom Objekt entfernt, sodass das Bild unter Beteiligung evaneszenter Wellen entsteht, was es ermöglichen kann, Bilder mit einer Auflösung zu erhalten besser als die Beugungsgrenze.

Die erste experimentell nachgewiesene Linse mit negativem Index hatte eine Auflösung, die dreimal besser war als die Beugungsgrenze. Das Experiment wurde mit Mikrowellenfrequenzen durchgeführt. Im optischen Bereich wurde die Superlinse implementiert. Es handelte sich um eine Linse, die keine negative Brechung nutzte, jedoch wurde eine dünne Silberschicht verwendet, um die gedämpften Wellen zu verstärken. Zur Herstellung einer Linse werden abwechselnd Schichten aus Silber- und Magnesiumfluorid auf ein Substrat aufgetragen, auf das anschließend ein Nanogitter geschnitten wird. Das Ergebnis war eine dreidimensionale Verbundstruktur mit negativem Brechungsindex im nahen Infrarotbereich. Im zweiten Fall wurde das Metamaterial mithilfe von Nanodrähten erzeugt, die elektrochemisch auf einer porösen Aluminiumoxidoberfläche gezüchtet wurden.

Metamaterialien sind Materialien, deren natürliche Eigenschaften nicht so sehr durch natürliche physikalische Eigenschaften, sondern durch die vom Menschen geschaffene periodische Mikrostruktur bestimmt werden. Der Metamaterialwürfel ist eine dreidimensionale Matrix, die aus Kupferleitern und Spaltringen besteht. Mikrowellen mit Frequenzen um 10 GHz verhalten sich in einem solchen Würfel ungewöhnlich, da der Würfel für sie einen negativen Brechungsindex hat. Gitterabstand 2,68 mm. Superobjektiv mit superauflösendem 2/24-Funkbereich

Eigenschaften und Struktur von Metamaterialien Die Bausteine ​​von Metamaterialien sind elektromagnetische Resonatoren, meist in Form von Metallstreifen, Spiralen und gebrochenen Ringen. (Abb. 1) Durch Veränderung der Form, Größe und relativen Position der Resonatoren ist es möglich, die Eigenschaften von Metamaterialien gezielt zu gestalten. Die Eigenschaften von Metamaterialien unterscheiden sich erheblich von den Eigenschaften der in ihrer Zusammensetzung enthaltenen Komponenten und werden durch die besondere Reihenfolge und Struktur der Komponenten bestimmt (Abb. 2). 1 Bild. 2 3/24

Entstehungsgeschichte Im Jahr 1898 führte Jagadis Chandra Bose das erste Mikrowellenexperiment durch, um die Polarisationseigenschaften der von ihm geschaffenen gekrümmten Strukturen zu untersuchen. Im Jahr 1914 arbeitete Lindman an künstlichen Medien, die aus vielen zufällig ausgerichteten kleinen Drähten bestanden, die zu einer Spirale verdreht und in ein Medium eingebettet waren, das sie fixierte. Die ersten Erwähnungen von Metamaterialien mit negativem Brechungsindex beginnen mit einer Erwähnung der Arbeit des sowjetischen Physikers Viktor Veselago, die 1968 in der Zeitschrift „Advances in Physical Sciences“ veröffentlicht wurde. 4/24 Jagadis Chandra Bose Viktor Veselago

Negativer Brechungsindex Für alle in der Natur vorkommenden Medien liegen die Strahlen des einfallenden und gebrochenen Lichts bei verschiedene Seiten von der wiederhergestellten Normalität bis zur Grenzfläche zwischen den Medien am Brechungspunkt. Bekannt sind natürliche Materialien mit negativer Dielektrizitätskonstante – jedes Metall bei Frequenzen oberhalb der Plasmafrequenz. In diesem Fall ε

Negativen Brechungsindex μ erreichen

Sichtbares Spektrum Zuerst nahmen die Wissenschaftler eine Glasscheibe und überzogen sie mit einer dünnen Schicht Silber, dann einer Schicht Magnesiumfluorid und dann einer weiteren Schicht Silber; So entstand ein Fluorid-„Sandwich“ mit einer Dicke von nur 100 nm. Die Wissenschaftler verwendeten dann die Standard-Ätztechnologie, um viele kleine quadratische Löcher (nur 100 nm breit, viel kleiner als die Wellenlänge von rotem Licht) in dieses „Sandwich“ zu bohren. Es entstand eine Gitterstruktur, die an ein Fischernetz erinnert. Anschließend ließen sie einen roten Lichtstrahl durch das resultierende Material und maßen den Brechungsindex, der bei -0,6 lag. 7/24 DNA-Molekül

Anwendungen Mögliche Anwendungen von Metamaterialien erstrecken sich über alle Bereiche, in denen elektromagnetische Strahlung zum Einsatz kommt, von Raumfahrtsystemen bis hin zur Medizin. Die Bandbreite an elektromagnetischen Metamaterialien, die derzeit entwickelt werden, ist enorm: Mithilfe von Metamaterialien ist es möglich, Geräte herzustellen, die allein aus natürlichen Materialien nicht herzustellen sind. Negativer Brechungsindex, hochauflösendes Bild, Unsichtbarkeitshülle, nanooptische und Quanteninformationstechnologien, Hochfrequenz-, Mikrowellen-, Terahertz- und optische Metamaterialien. Die Arbeit im relevanten Bereich der Nanotechnologie – der Nanophotonik – wird es ermöglichen, Geräte zu entwickeln, die Informationen viel schneller verarbeiten als bestehende Computer . Aufgrund der Tatsache, dass Metamaterialien einen negativen Brechungsindex haben, eignen sie sich hervorragend zur Tarnung von Objekten, da sie mit der Funkaufklärung nicht erfasst werden können. Tarnung Funkaufklärung 8/24

Durch den Einsatz von Metamaterialien ist es nicht nur möglich, die Parameter bekannter elektromagnetischer Geräte deutlich zu verbessern, sondern auch grundlegend neue Geräte zu schaffen: von Superlinsen mit einer Auflösung deutlich kleiner als die Strahlungswellenlänge bis hin zu Unsichtbarkeitsschirmen. Mehrheitlich praktische Anwendungen- Von Unsichtbarkeitsschirmen bis hin zu Superlinsen und Polarisatoren ist die Schaffung eines Metamaterials mit präzisen dreidimensionalen Elementen erforderlich. 24.9

ERGEBNISSE: 1. Superlinse (Materialien mit einem negativen Brechungsindex können die Beugungsgrenze der Auflösung herkömmlicher Optiken überwinden. Die erste experimentell nachgewiesene Linse mit einem negativen Brechungsindex hatte eine Auflösung, die dreimal besser als die Beugungsgrenze war.) 2. Sicht durch Wände . (eine neue Klasse künstlicher Materialien, die eine starke magnetische Reaktion auf Terahertz-Strahlung zeigen.) 3. Bluff Wall. (erzeugt die Illusion der Abwesenheit eines realen Objekts, dann erweckt das „Tor“ den Eindruck, dass das Objekt (in diesem Fall die Wand) dort existiert, wo es in Wirklichkeit nicht existiert (das heißt, es gibt einen offenen Kanal). 4 . Anti-Spiegel (wenn er eine elektromagnetische Welle reflektiert, kehrt er die Schwingungen der magnetischen Komponente um, berührt aber nicht die elektrische. Im Vergleich zu einem normalen Spiegel könnte man ihn also als Anti-Spiegel bezeichnen.) 5. Unsichtbarkeitsumhang 10 /24.

Photonischer Kristall Ein photonischer Kristall ist eine periodische Struktur, die es ermöglicht, die Richtung der Strahlung zu ändern und Strahlung mit einer bestimmten Frequenz zu emittieren (zu übertragen oder zu absorbieren). Die Idee eines photonischen Kristalls wurde 1987 von Eli Yablonovich vorgeschlagen. Dank periodischer Änderungen des Brechungsindex ist es möglich, erlaubte und verbotene Zonen für Photonenenergien zu erhalten. 24.11

Photonischer Chip Ein auf der Quantenverschränkung von Photonen basierendes Gerät, bei dem alle Arten von Manipulationen mit dem Quantenzustand verschränkter Photonen durchgeführt und die erhaltenen Ergebnisse mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Ziel ist es, kompakte Hochgeschwindigkeits-Informationsverarbeitungsgeräte zu schaffen, die Eingangsströme mit Geschwindigkeiten von mehr als 100 Gigabit pro Sekunde erfolgreich bewältigen können. 24.12. Quantenverschränkung von Photonen

14/24

Eigenschaften hyperbolischer Metamaterialien: Hoher Grad an Anisotropie. Hergestellt aus Übergangsmetallen und dielektrischen Schichten. Besitzen metallische und dielektrische Eigenschaften. Die Lichtstreuung in solchen Materialien wird hyperbolisch. Kann die Zustandsdichte von Photonen proportional zur Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls erhöhen. Eine große Anzahl von ihnen wird verursacht Verluste Metamaterialien mit hyperbolischer Dispersion. Beispiele für 3D-HMMs mit hohem Grad an Anisotropie. Hergestellt aus einem plasmonischen Nanodraht (A) und Übergangsschichten aus Metall und Dielektrikum (B). k(x) und k(0) sind die Tangentialkomponenten des normalisierten Wellenvektors; Ex, Ey, Ez sind die Diagonalkomponenten des Permittivitätstensors im freien Raum und die Wellenlänge im freien Raum. (C) Simulierte Emission in HMM und Leistungsspektrum in HMM (oben) im Vergleich zu herkömmlichen Dielektrika (unten) 15

Metaoberflächen Metaoberflächen sind sehr dünne Filme aus Metamaterialien, die Oxidschichten oder eine zweidimensionale Struktur aus winzigen Subwellenlängenantennen enthalten. Metaoberflächen werden mittels Elektronenstrahllithographie oder fokussiertem Ionenstrahlschneiden erstellt und sind mit bestehenden Halbleitertechnologien und -prozessen kompatibel. IN in letzter Zeit werden aus Zink- und Indiumoxiden, legiertem Aluminium und Gallium hergestellt. Diese Metalle und Metalloxide haben geringere optische Verluste und mehr reichlich Möglichkeiten zur Modulation in bestehende optische Systeme. Metaoberfläche 16/24

Die Eigenschaften von Metaoberflächen zeichnen sich durch geringe Verluste, ein breites Betriebsspektrum, Kontrolle der Lichteigenschaften (Frequenz, Phase, Impuls, Drehimpuls und Polarisation), effektive Lichtmodulation, Erzeugung von Lichtimpulsen einer bestimmten Form und Kontrolle der Ausbreitung aus von Lichtstrahlen im Weltraum, Diagnostik von Strukturen mit Nanopräzision 17/24 Bilder von Metaoberflächen, aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop.

18/24 Rechts in der Abbildung (Teil B) ist die sogenannte „hyperbolische Metaoberfläche“ schematisch dargestellt – ein Miniaturmetallgitter, das zur Erhöhung der Photonenemissionsrate von Quantenemittern verwendet wird. Sein Anwendungsgebiet sind Quanteninformationssysteme, einschließlich Quantencomputer, die potenziell viel leistungsfähiger sind als moderne Computer. Die linke Abbildung (Teil A) zeigt eine Anordnung von Nanoantennen, die ein Beispiel für eine plasmonische Metaoberfläche ist. Sein Einsatz ist in einer Reihe von Anwendungen möglich, unter anderem als Hyperlinse, um die Auflösung optischer Mikroskope teilweise um das bis zu Zehnfache zu erhöhen.

Eigenschaften hyperbolischer Metaoberflächen: Kleine, wiederauffüllbare Verluste. Breite Kontrolle über die Dichte photonischer Zustände. Hyperbolische Metaoberflächen (A) Darstellung der Erhöhung der Emissionsrate von Quantenquellen auf einer Metaoberfläche, die aus einem Metallgitter auf einem Dielektrikum besteht Substrat (B und C) Darstellung von Oberflächenhyperlinsen ohne Verstärkung (B) und mit Verstärkung (C). Zwei Diffusoren befinden sich auf der Oberseite des Gitters und haben einen Unterwellenlängenabstand von 19/24

Anwendung von Metaoberflächen Kann in mehr integriert werden komplexe Schaltungen: Computer-Mikroprozessor-Miniatur-Multifunktionsgeräte, die in der Biologie und Medizin verwendet werden (Um eine Person oder ein Objekt zu „durchschauen“, müssen Sie in Zukunft nicht mehr auf harmlose Röntgenstrahlen zurückgreifen. Metamaterialien ermöglichen es Ihnen, mit allen Wellenlängen zu arbeiten – und für alle Zweck). Metaoberflächen können auch als weitreichender chemischer Infrarotsensor verwendet werden. Metastrukturen können zur Erstellung von Computerhologrammen verwendet werden. Anwendung in der Quanteninformationstechnologie. Foto der von Wissenschaftlern entwickelten Metalene unter einem Mikroskop. Ein Beispiel für ein 20/24-Computerhologramm

Fazit Mögliche Anwendungen von Metamaterialien erstrecken sich über alle Bereiche, in denen elektromagnetische Strahlung zum Einsatz kommt, von Raumfahrtsystemen bis hin zur Medizin. Negativer Brechungsindex, hochauflösende Bildgebung, Tarntechnologien, nanooptische und Quanteninformationstechnologien, Computertechnologien auf der Basis eines photonischen Chips. In jedem dieser Bereiche haben Wissenschaftler erhebliche Erfolge erzielt, doch bisher wurden auf Metamaterialien basierende Technologien in der Gesellschaft nicht weit verbreitet. Das Hauptproblem in allen Bereichen ist die Miniaturisierung von Technologien. 21/24

Referenzen Planare Photonik und Metaoberflächen (Kildyshev A.V., Shalaev V.M.) – Metamaterialien oder das „Unsichtbarkeits“-Dilemma Negativ. Brechungsindex-Metamaterialien für die Anwendung von Metamaterialien im sichtbaren Spektrum 22/24

Viktor Georgievich Veselago

Vor fast 40 Jahren stellte der sowjetische Wissenschaftler Viktor Veselago die Hypothese auf, dass es Materialien mit einem negativen Brechungsindex gibt:

Metamaterialien sind Verbundwerkstoffe, deren Eigenschaften weniger durch die einzelnen physikalischen Eigenschaften ihrer Bestandteile als vielmehr durch ihre Mikrostruktur bestimmt werden. Der Begriff „Metamaterialien“ wird besonders häufig im Zusammenhang mit solchen Verbundwerkstoffen verwendet, die Eigenschaften aufweisen, die für in der Natur vorkommende Objekte nicht charakteristisch sind. .

Wellengleichung

Aus den Maxwell-Gleichungen für ein homogenes neutrales, nichtleitendes Medium folgt Folgendes: elektromagnetische Felder Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen mit Phasengeschwindigkeit ist möglich

Im Vakuum entspricht diese Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit

Also die Phasengeschwindigkeit der Ausbreitung um. Wellen in einer Substanz werden durch die magnetische und dielektrische Konstante des Mediums bestimmt.

Das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu|do| Lichtgeschwindigkeit im Medium - N wird als absoluter Brechungsindex des Mediums bezeichnet

Victor Veselago stellte die folgende Hypothese auf:

„Wenn wir Verluste nicht berücksichtigen und n, ε und μ als reelle Zahlen betrachten, dann ist klar, dass der gleichzeitige Vorzeichenwechsel von ε und μ das Verhältnis in keiner Weise beeinflusst. Diese Situation lässt sich erklären auf verschiedene Weise. Erstens können wir zugeben, dass die Eigenschaften von Stoffen wirklich nicht von der gleichzeitigen Änderung der Vorzeichen von ε und μ abhängen. Zweitens könnte sich herausstellen, dass die gleichzeitige Negativität von ε und μ allen Grundgesetzen der Natur und damit Substanzen mit ε widerspricht< 0 и μ < 0 не могут существовать. Наконец, следует признать, что вещества с отрицательными ε и μ обладают какими-то свойствами, отличными от свойств веществ с положительными ε и μ. Как мы увидим в дальнейшем, осуществляется именно этот третий случай.»

„Rechte“ und „Linke“ isotrope Medien

Eine ebene elektromagnetische Welle breitet sich in einem homogenen neutralen, nichtleitenden Medium in Richtung der x-Achse aus, deren Wellenfront senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verläuft.

Vektoren und bilden ein rechtshändiges System mit der Richtung der Wellenausbreitung; an einem festen Punkt im Raum ändern sie sich im Laufe der Zeit nach einem harmonischen Gesetz in einer Phase.

Solche Umgebungen werden dementsprechend als „rechts“ bezeichnet.

Umgebungen, in denen ε und μ beide negativ sind, werden „linkshändig“ genannt.

In solchen Medien bilden die elektrischen, magnetischen und Wellenvektoren ein System linkshändiger Vektoren.

Wenn Sie ein Pendel nämlich mit der Hand anstoßen, bewegt es sich gehorsam in die Stoßrichtung und beginnt mit der sogenannten Resonanzfrequenz zu schwingen. Indem Sie das Pendel im Takt der Schwingung bewegen, können Sie die Amplitude der Schwingungen erhöhen. Wenn du ihn noch mehr drängst Hochfrequenz, dann fallen die Stöße nicht mehr phasengleich mit den Schwingungen zusammen und irgendwann wird die Hand von einem Pendel getroffen, das sich auf sie zubewegt. In ähnlicher Weise geraten Elektronen in einem Material mit negativem Brechungsindex aus der Phase und beginnen, den „Stößen“ des elektromagnetischen Feldes zu widerstehen.

So zeigte Veselago 1968, dass eine Substanz mit negativem ε und μ einen Brechungsindex n kleiner als 0 haben sollte.

Experimentelle Bestätigung.

Elektronen in einem Material bewegen sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes hin und her und unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes kreisförmig. Der Grad der Wechselwirkung wird durch zwei Eigenschaften des Stoffes bestimmt: Dielektrizitätskonstante ε und magnetische Permeabilität μ. Der erste zeigt den Grad der Reaktion von Elektronen auf ein elektrisches Feld, der zweite den Grad der Reaktion auf ein magnetisches Feld. Bei der überwiegenden Mehrheit der Materialien sind ε und μ größer als Null.

Negatives ε oder μ treten auf, wenn sich Elektronen in einem Material in die entgegengesetzte Richtung zu den Kräften bewegen, die durch elektrische und magnetische Felder erzeugt werden. Obwohl dieses Verhalten paradox erscheint, ist es nicht so schwierig, Elektronen gegen die Kräfte elektrischer und magnetischer Felder zu bewegen.

Wo und wie sucht man nach solchen Stoffen?

Die erste experimentelle Bestätigung der Möglichkeit, ein Material mit negativem Brechungsindex zu erzeugen, wurde im Jahr 2000 an der University of California in San Diego (UCSD) erhalten. Da die Grundbausteine ​​des Metamaterials viel kleiner als die Wellenlänge sein müssen, arbeiteten die Forscher mit Strahlung im Zentimeterwellenbereich und verwendeten Elemente von wenigen Millimetern Größe.

Der Schlüssel zu dieser Art von negativer Reaktion ist die Resonanz, also die Tendenz, mit einer bestimmten Frequenz zu schwingen. Es wird künstlich in einem Metamaterial mithilfe winziger Resonanzkreise erzeugt, die die Reaktion einer Substanz auf ein magnetisches oder elektrisches Feld simulieren. Beispielsweise induziert in einem gebrochenen Ringresonator (RRR) ein magnetischer Fluss, der durch einen Metallring fließt, kreisförmige Ströme darin, ähnlich den Strömen, die den Magnetismus einiger Materialien verursachen. Und in einem Gitter aus geraden Metallstäben erzeugt das elektrische Feld an ihnen entlang gerichtete Ströme. Freie Elektronen in solchen Schaltkreisen schwingen mit einer Resonanzfrequenz, abhängig von der Form und Größe des Leiters. Wenn ein Feld mit einer Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz angelegt wird, wird eine normale positive Reaktion beobachtet. Mit zunehmender Frequenz wird die Reaktion jedoch negativ, genau wie bei einem Pendel, das sich auf Sie zubewegt, wenn Sie es mit einer Frequenz über der Resonanzfrequenz bewegen. So können Leiter in einem bestimmten Frequenzbereich auf ein elektrisches Feld als Medium mit negativem ε reagieren, und Ringe mit Schnitten können ein Material mit negativem μ vortäuschen. Diese Leiter und Ringe mit Schnitten sind die Grundblöcke, die zur Herstellung einer breiten Palette von Metamaterialien benötigt werden, darunter auch die, nach denen Veselago suchte.

Kalifornische Wissenschaftler haben ein Metamaterial entworfen, das aus Wechselleitern und RKR besteht und in Form eines Prismas zusammengesetzt ist. Die Leiter lieferten ein negatives ε, und die Ringe mit Einschnitten lieferten ein negatives μ. Das Ergebnis hätte ein negativer Brechungsindex sein sollen. Zum Vergleich wurde ein genau gleich geformtes Prisma aus Teflon mit n = 1,4 hergestellt. Die Forscher richteten einen Mikrowellenstrahl auf den Rand des Prismas und maßen die Intensität der aus ihm austretenden Wellen in verschiedenen Winkeln. Wie erwartet wurde der Strahl vom Teflonprisma positiv und vom Metamaterialprisma negativ gebrochen.

Konsequenzen.

Brechung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Facetten.

Superlinse.

Eine einfache planparallele Metamaterialplatte mit n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Planparallele Platte aus Metamaterial mit n<0

In der richtigen Umgebung ist der Bildraum des Objektivs nicht identisch mit dem Objekt selbst, da es ohne evaneszente Wellen entsteht. Im linken Medium werden evaneszente Wellen nicht gedämpft; im Gegenteil, ihre Amplitude nimmt zu, wenn sich die Welle vom Objekt entfernt, sodass das Bild unter Beteiligung evaneszenter Wellen entsteht, was es ermöglichen kann, Bilder mit einer Auflösung zu erhalten besser als die Beugungsgrenze. Bei der Entwicklung solcher optischer Systeme ist es möglich, die Beugungsgrenze zu überwinden und damit die Auflösung von Mikroskopen zu erhöhen, nanoskalige Mikroschaltungen zu erstellen und die Aufzeichnungsdichte auf optischen Speichermedien zu erhöhen.

Unterdruck

Reflexion eines Strahls, der sich in einem Medium mit n ausbreitet< 0, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

Nachricht

Anfang 2007 wurde die Schaffung eines Metamaterials mit negativem Brechungsindex im sichtbaren Bereich angekündigt. Das Material hatte bei einer Wellenlänge von 780 nm einen Brechungsindex von –0,6

Im Jahr 2011 wurden Artikel veröffentlicht, die darauf hinweisen, dass in den USA eine Technologie getestet wurde, die die Massenproduktion großer Metamaterialplatten ermöglicht

Metamaterialien durch Drucken

Abschluss

Die Erforschung und Schaffung neuer Metamaterialien mit einzigartigen Eigenschaften wird es der Menschheit in naher Zukunft ermöglichen, in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technologie erhebliche Fortschritte zu erzielen. Dazu gehört die astronomische Forschung dank Superlinsen, die die Beugungsgrenze der Auflösung überwinden; alternative Energiequellen – neue Solarmodule mit einem Wirkungsgrad von mehr als 20 % werden erscheinen; Materialien - unsichtbar usw. Die Zahl der Forschungsrichtungen ist riesig und vor allem erfolgreich.

Metamaterialien.

Wie oben erwähnt, kam es zu Beginn des 21. Jahrhunderts zu einer dramatischen Veränderung, als die Arbeit von David Smith von der University of California in San Diego über die Schaffung eines Verbundmaterials berichtete, das durch negative Werte von und charakterisiert werden konnte. und somit ein negativer Wert von . Dieses Material bestand aus vielen Kupferstäben und -ringen (Abb. 4, Abb. 5), die in einer strengen geometrischen Reihenfolge angeordnet waren. Tatsächlich waren die Stäbe Antennen, die auf das elektrische Feld reagierten, und die Ringe waren Antennen, die auf das Magnetfeld reagierten. Die Abmessungen dieser Elemente und der Abstand zwischen ihnen waren kleiner als die Wellenlänge, und das gesamte System als Ganzes hatte negative Effektivwerte und .

Reis. 4. Metamaterial-Gruppe aus San Diego 2000

Reis. 5. Metamaterial der Gruppe aus San Diego 2001.

Die Arbeit präsentierte das Ergebnis einer direkten Messung des Brechungswinkels für ein Prisma (Abb. 6), das aus diesem Verbundwerkstoff hergestellt wurde, und dieses Experiment zeigte die vollständige Gültigkeit der Beziehung (2) für dieses Material bei negativ.

Reis. 6. Versuchsaufbau

Wir sagen Metamaterial, aber was genau ist das? Metamaterialien sind Verbundmaterialien, deren Eigenschaften nicht so sehr von den einzelnen physikalischen Eigenschaften ihrer Komponenten, sondern von ihrer Mikrostruktur bestimmt werden. Der Begriff „Metamaterialien“ wird besonders häufig für solche Verbundwerkstoffe verwendet, die Eigenschaften aufweisen, die für in der Natur vorkommende Objekte nicht charakteristisch sind.

Superlinsen

Veselago nutzte Raytracing, um vorherzusagen, dass ein Materialblock mit negativem Brechungsindex als Linse mit einzigartigen Eigenschaften wirken würde. Die meisten von uns kennen Linsen aus positiv brechenden Materialien – in Kameras, Lupen, Mikroskopen und Teleskopen. Sie haben eine Brennweite und wo das Bild entsteht, hängt von einer Kombination aus der Brennweite und dem Abstand zwischen Objekt und Objektiv ab. Bilder unterscheiden sich in der Regel in der Größe vom Objekt und Objektive eignen sich am besten für Objekte, die auf einer Achse durch das Objektiv liegen. Das Veselago-Objektiv funktioniert völlig anders als herkömmliche: Die Bedienung ist viel einfacher, es wirkt nur auf Objekte, die sich in der Nähe befinden, und überträgt das gesamte optische Feld von einer Seite des Objektivs auf die andere.

Das Veselago-Objektiv ist so ungewöhnlich, dass ich mich fragen musste, wie perfekt es funktionieren könnte. Und insbesondere: Wie hoch könnte die maximale Auflösung des Veselago-Objektivs sein? Optische Elemente mit einem positiven Brechungsindex sind durch die Beugungsgrenze begrenzt – sie können Merkmale auflösen, die gleich oder größer als die Wellenlänge des vom Objekt reflektierten Lichts sind.

Die Beugung stellt eine ultimative Grenze für alle Abbildungssysteme dar, beispielsweise für das kleinste Objekt, das mit einem Mikroskop gesehen werden kann, oder für den kleinsten Abstand zwischen zwei Sternen, den ein Teleskop auflösen kann.

Die Beugung bestimmt auch das kleinste Detail, das im optischen Lithographieverfahren zur Herstellung von Mikrochips (Chips) erzeugt werden kann. Ebenso begrenzt die Beugung die Informationsmenge, die auf einer optischen digitalen Video-Disc (DVD) gespeichert oder gelesen werden kann. Eine Möglichkeit, die Beugungsgrenze zu umgehen, könnte die Technologie revolutionieren und es der optischen Lithographie ermöglichen, in den Nanobereich vorzudringen und möglicherweise die auf optischen Datenträgern gespeicherte Datenmenge um das Hundertfache zu erhöhen.

Metamaterial

Metamaterial- ein Verbundwerkstoff, dessen Eigenschaften nicht so sehr durch die Eigenschaften seiner Bestandteile, sondern durch eine künstlich erzeugte periodische Struktur bestimmt werden.

Metamaterialien werden synthetisiert, indem in das ursprüngliche natürliche Material verschiedene periodische Strukturen mit verschiedenen geometrischen Formen eingebracht werden, die die dielektrische „ε“- und magnetische „μ“-Suszeptibilität des ursprünglichen Materials verändern. In sehr grober Näherung können solche Implantate als Atome extrem großer Größe betrachtet werden, die künstlich in das Ausgangsmaterial eingebracht werden. Der Entwickler von Metamaterialien hat bei der Synthese die Möglichkeit, verschiedene freie Parameter (Strukturgrößen, Form, konstante und variable Periode zwischen ihnen usw.) auszuwählen (zu variieren).

Eigenschaften

Durchgang von Licht durch ein Metamaterial mit einem „linkshändigen“ Brechungsindex

Eine der möglichen Eigenschaften von Metamaterialien ist ein negativer (oder linkshändiger) Brechungsindex, der auftritt, wenn die dielektrische und magnetische Permeabilität gleichzeitig negativ sind. Ein Beispiel für ein solches Metamaterial ist in der Abbildung dargestellt.

Effekt-Grundlagen

Die Gleichung für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem isotropen Medium hat die Form:

(1)

Wo ist der Wellenvektor, ist die Wellenfrequenz, ist die Lichtgeschwindigkeit, ist das Quadrat des Brechungsindex. Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, dass der gleichzeitige Vorzeichenwechsel der dielektrischen und magnetischen Suszeptibilität des Mediums diese Beziehungen in keiner Weise beeinflusst.

„Rechte“ und „Linke“ isotrope Medien

Gleichung (1) wird auf der Grundlage der Maxwell-Theorie abgeleitet. Für Medien, in denen die dielektrische und magnetische Suszeptibilität des Mediums gleichzeitig positiv sind, bilden drei Vektoren des elektromagnetischen Feldes – elektrisch und magnetisch und Welle – ein sogenanntes System. rechte Vektoren:

Solche Umgebungen werden dementsprechend als „rechts“ bezeichnet.

Umgebungen, in denen gleichzeitig negativ sind, werden als „links“ bezeichnet. In solchen Medien bilden die elektrischen, magnetischen und Wellenvektoren ein System linkshändiger Vektoren.

In der englischsprachigen Literatur werden die beschriebenen Materialien als rechts- und linkshändige Materialien bezeichnet oder mit RHM (rechts) bzw. LHM (links) abgekürzt.

Energieübertragung durch rechte und linke Wellen

Der von der Welle getragene Energiefluss wird durch den Poynting-Vektor bestimmt, der gleich ist. Ein Vektor bildet mit Vektoren immer ein rechtes Tripel. Somit sind für Rechtshänder Substanzen und in eine Richtung gerichtet und für Linkshänder - in verschiedene Richtungen. Da der Vektor in seiner Richtung mit der Phasengeschwindigkeit übereinstimmt, ist klar, dass es sich bei den linksdrehenden Stoffen um Stoffe mit der sogenannten negativen Phasengeschwindigkeit handelt. Mit anderen Worten: Bei linksdrehenden Stoffen ist die Phasengeschwindigkeit dem Energiefluss entgegengesetzt. Bei solchen Substanzen wird beispielsweise ein invertierter Doppler-Effekt beobachtet.

Linke mittlere Streuung

Das Vorhandensein eines negativen Indikators für ein Medium ist möglich, wenn es eine Frequenzdispersion aufweist. Wenn gleichzeitig , , dann ist die Wellenenergie negativ(!). Die einzige Möglichkeit, diesen Widerspruch zu vermeiden, besteht darin, dass das Medium eine Frequenzdispersion aufweist und .

Beispiele für die Wellenausbreitung in einem linksdrehenden Medium

Superlinse

Dieser Vorschlag von J. Pendry wurde von Victor Veselago als unhaltbar kritisiert. Daher wird derzeit die Frage der Herstellung von Superlinsen auf der Basis linkshändiger Medien diskutiert, und experimentelle Versuche zur Herstellung von Linsen werden fortgesetzt.

Die erste experimentell nachgewiesene Superlinse mit negativem Index hatte eine Auflösung, die dreimal besser war als die Beugungsgrenze. Das Experiment wurde bei Mikrowellenfrequenzen durchgeführt. Die Superlinse wurde 2005 im optischen Bereich eingeführt. Es handelte sich um eine Linse, die keine negative Brechung nutzte, sondern eine dünne Silberschicht verwendete, um die evaneszenten Wellen zu verstärken.

Die neuesten Fortschritte bei der Herstellung von Superlinsen werden im Testbericht vorgestellt. Zur Herstellung einer Superlinse werden abwechselnd Schichten aus Silber- und Magnesiumfluorid auf ein Substrat aufgetragen, auf das anschließend ein Nanogitter geschnitten wird. Das Ergebnis war eine dreidimensionale Verbundstruktur mit negativem Brechungsindex im nahen Infrarotbereich. Im zweiten Fall wurde das Metamaterial mithilfe von Nanodrähten erzeugt, die elektrochemisch auf einer porösen Aluminiumoxidoberfläche gezüchtet wurden.

Anfang 2007 wurde die Schaffung eines Metamaterials mit negativem Brechungsindex im sichtbaren Bereich angekündigt. Der Brechungsindex des Materials bei einer Wellenlänge von 780 nm betrug −0,6.

Anwendung

Kürzlich erschienen Berichte aus einer Reihe wissenschaftlicher Zentren, dass ein weiterer Schritt in Richtung der Schaffung eines Unsichtbarkeitsumhangs unternommen wurde. Dieser Umhang ermöglicht es, den Gegenstand, den er verdeckt, unsichtbar zu machen, da er kein Licht reflektiert.

Aufgrund der Tatsache, dass Metamaterialien einen negativen Brechungsindex haben, eignen sie sich ideal zur Tarnung von Objekten, da sie durch Funkaufklärung nicht entdeckt werden können.

Geschichte

In den meisten Fällen beginnt die Geschichte der Frage von Materialien mit negativem Brechungsindex mit einer Erwähnung der Arbeit des sowjetischen Physikers Viktor Veselago, die in diesem Jahr in der Zeitschrift „Uspekhi Fizicheskikh Nauk“ veröffentlicht wurde (http://ufn.ru). /ru/articles/1967/7/d/ ). In dem Artikel wurde die Möglichkeit eines Materials mit negativem Brechungsindex diskutiert, das als „linkshändig“ bezeichnet wurde. Der Autor kam zu dem Schluss, dass sich mit einem solchen Material nahezu alle bekannten optischen Phänomene der Wellenausbreitung deutlich verändern, obwohl Materialien mit negativem Brechungsindex zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannt waren. Hier ist jedoch zu beachten, dass solche „linkshändigen“ Medien in Wirklichkeit viel früher in der Arbeit von Sivukhin (Sivukhin D.V. // Optics and Spectroscopy, T.3, S.308 (1957)) und in diskutiert wurden die Artikel von Pafomov (Pafomov V. E. // JETP, T.36, S.1853 (1959); T.33, S.1074 (1957) T.30, S.761 (1956)). Eine detaillierte Beschreibung der Geschichte des Problems findet sich in der Arbeit von V. M. Agranovich und Yu. N. Gartstein (http://ufn.ru/ru/articles/2006/10/c/).

In den letzten Jahren wurde intensiv an Phänomenen im Zusammenhang mit dem negativen Brechungsindex geforscht. Der Grund für die Intensivierung dieser Studien war die Entstehung einer neuen Klasse künstlich veränderter Materialien mit einer besonderen Struktur, den sogenannten Metamaterialien. Die elektromagnetischen Eigenschaften von Metamaterialien werden durch die Elemente ihrer inneren Struktur bestimmt, die nach einem vorgegebenen Muster auf mikroskopischer Ebene angeordnet sind. Daher können die Eigenschaften dieser Materialien so verändert werden, dass sie ein breiteres Spektrum elektromagnetischer Eigenschaften aufweisen, einschließlich eines negativen Brechungsindex.

Siehe auch

Notizen

1. Engheta Nader Metamaterialien: Physikalische und technische Erkundungen. - Wiley & Söhne. - S. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. - ISBN 9780471761020
2. Smith, David R. Was sind elektromagnetische Metamaterialien? . Neuartige elektromagnetische Materialien. Die Forschungsgruppe von D.R. Smith (10. Juni 2006). Archiviert vom Original am 15. Februar 2012. Abgerufen am 19. August 2009.
3. Sammlung von Artikeln zum kostenlosen Download von J. Pendry
4. Veselago V. G. Elektrodynamik von Materialien mit negativem Brechungsindex // UFN. - 2003. - 7. - S. 790-794. - DOI:10.3367/UFNr.0173.200307m.0790
5. Munk, B.A. Metamaterialien: Kritik und Alternativen. – Hoboken, N.J.: John Wiley, 2009. – ISBN 0470377046
6. A. Grbic und G.V. Eleftheriades (2004). „Überwindung der Beugungsgrenze mit einer planaren linkshändigen Übertragungsleitungslinse.“ Briefe zur körperlichen Untersuchung 92 . DOI:10.1103/PhysRevLett.92.117403.
7. N. Fang et al. (2005). „Subbeugungsbegrenzte optische Bildgebung mit einer silbernen Superlinse.“ Wissenschaft 308 (5721): 534–7. DOI:10.1126/science.1108759. PMID 15845849. Zusammenfassung zusammenlegen.
8. (2008) „Metamaterialien biegen Licht auf neue Ebenen.“ Nachrichten aus Chemie und Technik 86 (33).
9. J. Valentine et al. (2008). „Dreidimensionales optisches Metamaterial mit negativem Brechungsindex.“ Natur 455 (7211): 376–9.

Facebook

Twitter

VKontakte

Klassenkameraden

Google+