Примери за метаматериали. Метаматериал
Описание на презентацията по отделни слайдове:
1 слайд
Описание на слайда:
Метаматериали и нанотехнологии Физиците са се научили да правят материали с невероятни 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. Б. 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 върха наляво, 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 метаматериалните елементи да имат размер 10-100 nm (много по-малък от дължината на вълната).
6 слайд
Описание на слайда:
Оптичен микроскоп Физиците от Манчестър и Сингапур са проектирали оптичен микроскопс рекордна разделителна способност, която ви позволява да различите 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 върху повърхността на пробите значително подобрява качеството на изображенията. Схема и микроснимка " рибарска мрежа",
7 слайд
Описание на слайда:
Учените създадоха нова "наметало невидимка" Предложено нов дизайннаметало невидимка: състои се от стъклени цилиндрии е в състояние да „скрие“ метален прът с диаметър 15 микрона. Ще бъде възможно да се скриете зад такова стъкло, но само от инфрачервено 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.
Метаматериалите или дилемата „невидимост“.
Докладът е завършен
Боровков Иван.
Въведение. Определение. Използване.
В науката не е необходимо често да се преразглеждат основите на една дисциплина. Оптиката е изключение благодарение на създаването на метаматериали.
Владимир Шалаев, член на Консултативния научен съвет на Фондация Сколково, професор в университета Пърдю (САЩ).
Когато говорим за непознат досега предмет, неговите свойства и предимства, е разумно да го дефинираме в самото начало. В доклада равномерно разпределих повече от десет дефиниции на метаматериала, които разкриват природата на даден предмет по различни начини и най-важното позволяват на читателя да разбере по-пълно за какво говорим.
Ще дам основните характеристики на метаматериалите, примери за невероятни неща, които са станали възможни благодарение на тях, както и примери за фантастични неща, които ще станат нещо обичайно в бъдеще. Отивам.
Метаматериал- материал, природни свойствакоито са причинени не толкова от естествени физични свойства, колко периодична микроструктура, създадена от човека.
Метаматериалите се синтезират чрез въвеждане в оригиналния естествен материал на различни периодични структури с различни геометрични форми, които променят диелектричната ε и магнитната μ чувствителност на оригиналния материал. В много грубо приближение такива включвания могат да се считат за изкуствени, изключително големи атоми. Разработчикът на метаматериали, когато ги синтезира, разполага с голям избор от свободни параметри (размери на структури, форма, постоянни и променливи периоди между тях и др.).
Метаматериалите не съществуват в природата. Това са изключително създадени от човека обекти, които поради създадената хетерогенност на тяхната структура позволяват да се контролират свойствата на светлината и да се постигнат вълнуващи ефекти.
Основната характеристика на метаматериалите е отрицателен (или ляв) индекс на пречупване, който се проявява, когато диелектричната и магнитната пропускливост са едновременно отрицателни. Първото теоретично обосноваване на възможността за тяхното съществуване е дадено от съветския физик Виктор Веселаго през 1968 г. Любопитно е, че статията на Веселаго по тази тема в списанието „Успехи на физическите науки“ стана най-цитираната публикация в историята на това издание.
Дълго време „работещите“ метаматериали не могат да бъдат получени поради редица ограничения. Въпреки това, наскоро група учени, ръководени от Владимир Шалаев, показаха, че в оптичния диапазон на дължината на вълната действително могат да бъдат създадени материали с отрицателен индекс на пречупване, в които практически няма загуби.
По своята структура метаматериалите, създадени в университета Пърдю, наподобяват риболовна мрежа, чиито клетки се състоят от сребро и алуминиев оксид.
„Създаването и използването на метаматериали едва започва. Това е задачата на нова област на науката - трансформационната оптика", каза Шалаев.
„Можете да създадете пространствено разпределение на диелектрична и магнитна пропускливост и да изпълнявате различни трикове със светлина“, обясни говорителят.
Според учения метаматериалите правят възможно „довеждането“ на светлина до наномащаба и по-нататъшното му манипулиране. Например, работата в съответната област на нанотехнологиите - нанофотоника - ще направи възможно създаването на устройства, които обработват информация много по-бързо от съществуващите компютри.
„Можете да принудите светлината да се огъва около желаната част от пространството - и тогава ще получите капачка за невидимост“, даде Шалаев най-популярния пример за използването на метаматериали.
„Хърбърт Джи Уелс, когато създава своя Невидим човек, формулира проблема с почти научна точност“, каза ученият.
Според специалиста обаче в трансформационната оптика има много по-интересни неща. Възможно е например да се създаде оптичен аналог на черна дупка - област от пространството, която ще привлича светлина в себе си. Можете да „принудите“ светлината да се концентрира в определена точка в пространството. И това, което е абсолютно фантастично, е, че метаматериалите правят възможно (макар и все още теоретично) да симулират различни проблеми на космологията.
Основата на ефекта.
И така, интригуващото въведение и оптимистичният поглед на един от водещите световни нанотехнолози плавно ни доведе до теоретичната част от описанието на ефекта на отрицателния индекс на пречупване на светлината, който притежават гореспоменатите метаматериали.
П преминаването на светлината през границата на среди, една от които има положителен индекс на пречупванеn1> 0 , другото е отрицателноn2< 0 .
Преминаване на светлина през границата на среда, в която и двата индекса на пречупване са положителниn1 > 0 n2 > 0.
Уравнението за разпространение на електромагнитни вълни в изотропна среда има формата:
к 2 − (ω / ° С) 2 н 2 = 0 (1)
Където к- вълнов вектор, ω - честота на вълната, ° С- скоростта на светлината, н 2 = εμ - квадрат на индекса на пречупване. От тези уравнения е очевидно, че едновременната промяна на знаците на диелектричната ε и магнитната μ чувствителност на средата няма да повлияе по никакъв начин на тези отношения.
Уравнение (1) е получено въз основа на теорията на Максуел. За среди, в които диелектричната ε и магнитната μ възприемчивост на средата са едновременно положителни, три вектора на електромагнитното поле - електрическо и магнитно и вълново образуват така наречената система. десни вектори.
Такива среди съответно се наричат „десни“.
Среди, в които и ε, и μ са отрицателни, се наричат „леви“. В такива среди електрическите, магнитните и вълновите вектори образуват система от леви вектори.
Енергийният поток, носен от вълната, се определя от вектора на Пойнтинг, който е равен на . Един вектор винаги образува дясна тройка с вектори. Така за десните вещества и са насочени в една посока, а за левите - в различни посоки. Тъй като векторът съвпада по посока с фазовата скорост, е ясно, че левовъртите вещества са вещества с така наречената отрицателна фазова скорост. С други думи, в левите вещества фазовата скорост е противоположна на енергийния поток. При такива вещества например се наблюдава обратен ефект на Доплер.
Наличието на отрицателен индикатор на средата е възможно, ако има честотна дисперсия. Ако в същото време ε< 0, μ < 0, то энергия волны У = ε д 2 + μ з 2 ще бъде отрицателно (!). Единственият начин да се избегне това противоречие е, ако средата има честотна дисперсия и .
Примери за разпространение на вълни в ляво движеща се среда.
Двойно изпъкнала леща, направена от материал с отрицателен индекс на пречупване, ще разфокусира светлината, докато двойно вдлъбната леща ще я фокусира.
П плоскопаралелна плоча, изработена от материал с отрицателен индекс на пречупване, действа като фокусираща леща. Червената точка представлява източника на светлина.
Отражение на лъч, разпространяващ се в среда сн< 0 , от идеално отразяваща повърхност. Светлинен лъч, когато се отразява от тяло, увеличава импулса си с , (N е броят на падащите фотони). Светлинният натиск, упражняван от светлината върху абсорбиращата дясна среда, се заменя с нейното привличане в лявата среда.
постижения.
Суперлещи.
Джон Пендри и неговите колеги Писма за физически прегледтвърдят, че в материали с отрицателен индекс на пречупване е възможно да се преодолее дифракционната граница на разделителна способност на конвенционалната оптика. В правилната среда пространството на изображението на лещата не е идентично със самия обект, защото образува се без затихващи вълни. В лявата среда затихващите вълни не затихват, а напротив, амплитудата им се увеличава с отдалечаването на вълната от обекта, така че изображението се формира с участието на затихващи вълни, което може да позволи получаването на изображения с разделителна способност по-добре от границата на дифракция.
Първата експериментално демонстрирана леща с отрицателен индекс имаше разделителна способност три пъти по-добра от границата на дифракция. Експериментът е проведен с микровълнови честоти. В оптичния диапазон суперобективът е внедрен в. Това беше леща, която не използваше отрицателно пречупване, но беше използван тънък слой сребро за усилване на затихващите вълни. За да се създаде леща, се използват редуващи се слоеве от сребро и магнезиев флуорид, нанесени върху субстрат, върху който след това се изрязва нанорешетка. Резултатът беше триизмерна композитна структура с отрицателен индекс на пречупване в близката инфрачервена област. Във втория случай метаматериалът е създаден с помощта на нанопроводници, които са били електрохимично отгледани върху пореста повърхност от алуминиев оксид.
МОСКВА,26 септември - РИА Новости, Олга Коленцова.Понякога постижения модерни технологииможе да се сбърка 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 колекция от няколко различни части от такива съединения да може да извършва сложни математически операции върху единични лъчи светлина.От чисто физична гледна точка метаматериалите са изкуствено формирани и специално конструирани структури, които притежават непостижими в природата електромагнитни или оптични свойства.Последните се определят дори не от характеристиките на съставните им вещества, а именно от структурата.В крайна сметка къщите, които са 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 те не надхвърлят физични 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“. Звукова вълнафокусира 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.
© Илюстрация на РИА Новости. А. Полянина
© Илюстрация на РИА Новости. А. Полянина
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 обхвата на вълните, които могат да се видят човешко око. Именно от такива материали учените са създали 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.
© Снимка: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley
© Снимка: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley
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. издателствоПриродата. „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-високо прецизни инструменти.Въпреки това, ако създадете по-мащабен материал, който съдържа не оптични (400-700 nm), а радио вълни (7-8 см дължина), физиката на процеса. 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 вещество има 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 светлина 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.
Виктор Георгиевич Веселаго
Преди почти 40 години съветският учен Виктор Веселаго изказа хипотеза за съществуването на материали с отрицателен индекс на пречупване:
Метаматериалите са композитни материали, чиито свойства се определят не толкова от индивидуалните физични свойства на техните компоненти, колкото от тяхната микроструктура. Терминът "метаматериали" се използва особено често по отношение на онези композити, които проявяват свойства, които не са характерни за обекти, открити в природата. .
Вълново уравнение
От уравненията на Максуел за хомогенна неутрална непроводима среда следва, че в електромагнитни полетае възможно разпространение на електромагнитни вълни с фазова скорост
Във вакуум тази скорост е равна на скоростта на светлината
Така фазовата скорост разпространение ъъъ. вълните в дадено вещество се определя от магнитната и диелектричната константа на средата.
Съотношението на скоростта на светлината във вакуум към|до| скоростта на светлината в средата - нНаречен абсолютен показателсредно пречупване
Виктор Веселаго изложи следната хипотеза:
„Ако не вземем предвид загубите и считаме n, ε и μ за реални числа, тогава е ясно, че едновременната промяна на знаците на ε и μ не влияе по никакъв начин на съотношението. Тази ситуация може да се обясни различни начини. Първо, можем да признаем, че свойствата на веществата наистина не зависят от едновременната промяна на знаците на ε и μ. Второ, може да се окаже, че едновременната отрицателност на ε и μ противоречи на всички основни закони на природата и следователно на веществата с ε< 0 и μ < 0 не могут существовать. Наконец, следует признать, что вещества с отрицательными ε и μ обладают какими-то свойствами, отличными от свойств веществ с положительными ε и μ. Как мы увидим в дальнейшем, осуществляется именно этот третий случай.»
„Дясната“ и „лявата“ изотропна среда
Нека плоска електромагнитна вълна се разпространява в хомогенна неутрална непроводима среда по посока на оста x, чийто фронт на вълната е перпендикулярен на посоката на разпространение.
Вектори и образуват дясна система с посоката на разпространение на вълната; във фиксирана точка в пространството те се променят във времето според хармоничен закон в една фаза.
Такива среди съответно се наричат „десни“.
Среди, в които ε и μ са отрицателни, се наричат „левичари“.
В такива среди електрическите, магнитните и вълновите вектори образуват система от леви вектори.
Наистина, ако натиснете махало с ръка, то послушно ще се движи 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.
Така през 1968 г. Веселаго показа, че вещество с отрицателни ε и μ трябва да има индекс на пречупване n по-малък от 0.
Експериментално потвърждение.
Електроните в даден материал се движат напред и назад под въздействието на електрическо полеи в кръг под въздействието на магнитни. Степента на взаимодействие се определя от две характеристики на веществото: диелектрична константа 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 имат ε и μ по-големи от нула.
Отрицателни ε или μ възникват, когато електроните в даден материал се движат в обратна посока 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.
Къде и как да търсим такива вещества?
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.
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, преминавайки през метален пръстен, индуцира в него кръгови токове, подобни на токовете, които предизвикват 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, нормално положителна реакция. 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 отрицателно ε, а пръстените с разрези могат да симулират материал с отрицателно μ. Тези проводници и пръстени с разрези са елементарните блокове, необходими за създаването на широка гама от метаматериали, включително тези, които Веселаго търсеше.
Калифорнийски учени са проектирали метаматериал, състоящ се от редуващи се проводници и RKR, събрани под формата на призма. Проводниците осигуряват отрицателно ε, а пръстените с разрези осигуряват отрицателно μ. Резултатът трябваше да бъде отрицателен индекс на пречупване. За сравнение, от тефлон е направена призма с точно същата форма, за която n = 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.
Последствия.
Пречупване на границата между две среди с различни аспекти.
Суперлещи.
Проста плоскопаралелна метаматериална плоча с n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.
Плоскопаралелна плоча от метаматериал с n<0
В правилната среда пространството на изображението на лещата не е идентично със самия обект, тъй като се формира без мимолетни вълни. В лявата среда затихващите вълни не затихват, а напротив, амплитудата им се увеличава с отдалечаването на вълната от обекта, така че изображението се формира с участието на затихващи вълни, което може да позволи получаването на изображения с разделителна способност по-добре от границата на дифракция. Възможно е да се преодолее дифракционната граница при създаването на такива оптични системи, като се използват за увеличаване на разделителната способност на микроскопите, създаване на наномащабни микросхеми и увеличаване на плътността на запис върху оптични носители за съхранение.
Отрицателно налягане
Отражение на лъч, разпространяващ се в среда с n< 0, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.
Новини
В началото на 2007 г. беше обявено създаването на метаматериал с отрицателен показател на пречупване във видимата област. Материалът има индекс на пречупване при дължина на вълната 780 nm, равен на -0,6
През 2011 г. бяха публикувани статии, които показват, че в САЩ е тествана технология, която позволява масово производство на големи листове метаматериали
Метаматериали чрез печат
Заключение
Изследването и създаването на нови метаматериали с уникални свойства ще позволи на човечеството да напредне значително в много области на науката и технологиите в близко бъдеще. Това включва астрономически изследвания благодарение на суперлещи, които преодоляват дифракционната граница на разделителна способност; алтернативни източници на енергия - ще се появят нови слънчеви панели с ефективност над 20%; материали - невидими и др. Броят на направленията в изследванията е огромен и най-важното - те са успешни.
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.
- 3D. 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 лещата демонстрира феноменална производителност; разделителната му способност беше 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.
Вече днес е възможно да се осигури „невидимост“ за оборудване 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.
- Въздействието на организмите върху земните черупки
- Тайните на махалото. Изчисления, основани на закона за запазване на енергията
- Час на класа на тема: „Предприемачите не се раждат Час на класа Аз съм бъдещ предприемач
- Подробно описание на приготвянето на козунак от "Виенско тесто" Козунаци от мая Виенско тесто