Materialien mit negativem Brechungsindex. Metamaterialien: Wie man Materie mit nicht existierenden Eigenschaften erzeugt. Materialien mit einem negativen Brechungsindex

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 Verbundmaterialien, deren Eigenschaften nicht so sehr vom Individuum bestimmt werden physikalische Eigenschaften ihre Komponenten, wie viel Mikrostruktur. 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 verbreiten äh. 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 verschiedene Wege. 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 mit 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 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. Drückt man ihn mit höherer Frequenz, dann stimmen die Stöße nicht mehr mit den phasengleichen Schwingungen überein 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 von hin und her elektrisches Feld und in einem Kreis unter dem Einfluss von Magnet. 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 durch elektrische und elektrische Kräfte erzeugten Kräften bewegen Magnetfelder. 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 hergestellt, für das n = 1,4. 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.

Folgen.

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 erzeugt wird, 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.

Negativer Druck

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.

MOSKAU,26 September – RIA Novosti, Olga Kolentsova. Manchmal können die Errungenschaften moderner Technologie mit Magie verwechselt werden. Nur statt Magie funktioniert exakte Wissenschaft. Ein Forschungsgebiet, dessen Ergebnisse durchaus zur Veranschaulichung der Eigenschaften von „Märchenattributen“ dienen könnten, ist die Entwicklung und Erstellung von Metamaterialien.

Mathematiker haben einen Weg gefunden, Metamaterial in einen „leichten Computer“ zu verwandeln.Mathematiker haben herausgefunden, dass die Eigenschaften von Metamaterialien theoretisch so verändert werden können, dass eine Ansammlung mehrerer verschiedener Teile solcher Verbindungen komplexe mathematische Operationen an einzelnen Lichtstrahlen durchführen kann.

Aus rein physikalischer Sicht sind Metamaterialien künstlich geformte und speziell konstruierte Strukturen, die elektromagnetische oder optische Eigenschaften aufweisen, die in der Natur unerreichbar sind. Letztere werden nicht einmal durch die Eigenschaften ihrer Bestandteile, nämlich die Struktur, bestimmt. Schließlich handelt es sich um Häuser, die es sind Äußerlich ähnliche Häuser können aus den gleichen Materialien gebaut werden, aber eines ist anders schallisoliert und in einem anderen hört man sogar den Atem des Nachbarn aus der gegenüberliegenden Wohnung. Was ist das Geheimnis? Nur in der Fähigkeit des Bauherrn, die bereitgestellten Mittel zu verwalten.

Derzeit haben Materialwissenschaftler bereits viele Strukturen geschaffen, deren Eigenschaften in der Natur nicht zu finden sind, obwohl sie nicht über die Grenzen physikalischer Gesetze hinausgehen. Beispielsweise kann eines der geschaffenen Metamaterialien Schallwellen so brillant steuern, dass sie einen kleinen Ball in der Luft halten. Es besteht aus zwei Gittern, die aus Ziegeln zusammengesetzt sind, die mit thermoplastischen Stäben gefüllt sind und in einem „Schlangenmuster“ verlegt sind. Die Schallwelle wird wie Licht in einer Linse fokussiert, und die Forscher glauben, dass sie mit diesem Gerät die Kontrolle über den Schall bis zur Fähigkeit zur Richtungsänderung weiterentwickeln können, da sie nun mithilfe von Optiken den Weg eines Lichtstrahls ändern.

Ein anderes Metamaterial kann sich neu anordnen. Daraus wird das Objekt ohne Zuhilfenahme der Hände zusammengesetzt, denn die Formveränderung ist programmierbar! Die Struktur eines solchen „intelligenten“ Materials besteht aus Würfeln, deren Wände jeweils aus zwei Außenschichten aus Polyethylenterephthalat und einer Innenschicht aus doppelseitigem Klebeband bestehen. Mit diesem Design können Sie die Form, das Volumen und sogar die Steifigkeit eines Objekts ändern.

Doch die erstaunlichsten Eigenschaften sind die optischen Metamaterialien, die die visuelle Wahrnehmung der Realität verändern können. Sie „arbeiten“ im Wellenlängenbereich, den das menschliche Auge sehen kann. Aus solchen Materialien haben Wissenschaftler einen Stoff geschaffen, aus dem ein Unsichtbarkeitsumhang hergestellt werden kann.

Zwar kann bisher nur ein Mikroobjekt im optischen Bereich unsichtbar gemacht werden.

Die Möglichkeit, ein Material mit negativem Brechungswinkel zu erzeugen, wurde bereits 1967 vom sowjetischen Physiker Viktor Veselago vorhergesagt, doch erst jetzt tauchen die ersten Beispiele realer Strukturen mit solchen Eigenschaften auf. Aufgrund des negativen Brechungswinkels Lichtstrahlen biegen sich um ein Objekt herum und machen es unsichtbar. Somit nimmt der Beobachter nur wahr, was hinter dem Rücken der Person geschieht, die den „wunderbaren“ Umhang trägt.

Die neueste Errungenschaft bei der Schaffung optischer Metamaterialien gehört russischen Wissenschaftlern von NUST MISIS. Darüber hinaus wurden die häufigsten „Zutaten“ verwendet: Luft, Glas und Wasser. Die Arbeit der Wissenschaftler wurde in einer der am höchsten bewerteten Fachzeitschriften der Welt, Scientific Reports, veröffentlicht. Verlag Natur. „Jede dieser Proben kann Tausende von Euro kosten“, betont Alexey Basharin, Forscher am NUST MISIS-Labor für supraleitende Metamaterialien und Kandidat der technischen Wissenschaften. — Darüber hinaus ist die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Bildung eines solchen Systems selbst bei Verwendung hochpräziser Werkzeuge sehr hoch. Wenn Sie jedoch ein Material in größerem Maßstab erstellen, das kein optisches (400-700 nm), sondern radioaktives Material enthält Wellen (7-8 cm lang), die Physik des Prozesses. Diese Skalierung wird sich nicht ändern, aber die Technologie zu ihrer Erzeugung wird einfacher.

Durch die Untersuchung der Eigenschaften der erzeugten Strukturen zeigten die Autoren der Arbeit, dass diese Art von Substanz mehrere praktische Anwendungen hat. Erstens handelt es sich dabei um Sensoren komplexer Moleküle, da letztere beim Eintritt in den Bereich des Metamaterials beginnen glühen. Auf diese Weise können sogar einzelne Moleküle bestimmt werden, was möglicherweise einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung beispielsweise der forensischen Wissenschaft haben könnte. Darüber hinaus kann ein solches Metamaterial als Lichtfilter verwendet werden, der Licht einer bestimmten Länge von der einfallenden Strahlung isoliert. Es eignet sich auch als Grundlage für die Schaffung eines äußerst zuverlässigen magnetischen Gedächtnisses, da die Struktur der Metamaterialzellen dies verhindert Magnetisierung zueinander umkehren und dadurch Informationen verlieren.

Die Superlinse besteht aus einem Metamaterial mit erstaunlichen optischen Eigenschaften und kann Bilder mit Details erzeugen, die kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts.

Vor fast 40 Jahren stellte der sowjetische Wissenschaftler Viktor Veselago eine Hypothese über die Existenz von Materialien mit negativem Brechungsindex auf (UFN, 1967, Bd. 92, S. 517). Die Lichtwellen in ihnen müssen sich entgegen der Ausbreitungsrichtung des Strahls bewegen und sich im Allgemeinen erstaunlich verhalten, während Linsen aus diesen Materialien magische Eigenschaften und unübertroffene Eigenschaften haben müssen. Allerdings haben alle bekannten Substanzen einen positiven Brechungsindex: Nach mehreren Jahren intensiver Suche fand Veselago kein einziges Material mit geeigneten elektromagnetischen Eigenschaften und seine Hypothese geriet in Vergessenheit. Sie erinnerten sich erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts daran. (cm.: ).

Dank der jüngsten Fortschritte in der Materialwissenschaft wurde Veselagos Idee wiederbelebt. Die elektromagnetischen Eigenschaften von Stoffen werden durch die Eigenschaften der sie bildenden Atome und Moleküle bestimmt, deren Eigenschaftsspektrum recht eng ist. Daher sind die Eigenschaften der Millionen uns bekannter Materialien nicht so vielfältig. Allerdings Mitte der 1990er Jahre. Wissenschaftler des Zentrums für Werkstofftechnik. Marconi in England begann mit der Entwicklung von Metamaterialien, die aus makroskopischen Elementen bestehen und elektromagnetische Wellen auf völlig andere Weise streuen als alle bekannten Substanzen.

Im Jahr 2000 stellten David Smith und Kollegen von der University of California in San Diego ein Metamaterial mit negativem Brechungsindex her. Das Verhalten des Lichts darin erwies sich als so seltsam, dass Theoretiker Bücher über die elektromagnetischen Eigenschaften von Substanzen neu schreiben mussten. Experimentatoren entwickeln bereits Technologien, die sich die erstaunlichen Eigenschaften von Metamaterialien zunutze machen und Superlinsen schaffen, die Bilder mit Details erzeugen können, die kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Mit ihrer Hilfe wäre es möglich, Mikroschaltungen mit nanoskopischen Elementen herzustellen und riesige Informationsmengen auf optischen Datenträgern aufzuzeichnen.

Negative Brechung

Um zu verstehen, wie negative Brechung auftritt, betrachten wir den Mechanismus der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Eine elektromagnetische Welle (z. B. ein Lichtstrahl), die durch sie hindurchgeht, bewirkt, dass sich die Elektronen von Atomen oder Molekülen bewegen. Dadurch wird ein Teil der Wellenenergie verbraucht, was sich auf ihre Eigenschaften und die Art der Ausbreitung auswirkt. Um die erforderlichen elektromagnetischen Eigenschaften zu erhalten, wählen Forscher die chemische Zusammensetzung des Materials aus.

Doch wie das Beispiel der Metamaterialien zeigt, ist die Chemie nicht der einzige Weg, interessante Eigenschaften der Materie zu erhalten. Die elektromagnetische Reaktion eines Materials kann durch die Schaffung winziger makroskopischer Strukturen „manipuliert“ werden. Tatsache ist, dass die Länge einer elektromagnetischen Welle normalerweise mehrere Größenordnungen größer ist als die Größe von Atomen oder Molekülen. Die Welle „sieht“ nicht ein einzelnes Molekül oder Atom, sondern die kollektive Reaktion von Millionen von Teilchen. Dies gilt auch für Metamaterialien, deren Elemente ebenfalls deutlich kleiner als die Wellenlänge sind.

Das Feld der elektromagnetischen Wellen hat, wie der Name schon sagt, sowohl eine elektrische als auch eine magnetische Komponente. 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. Die überwiegende Mehrheit der Materialien ε Und μ Über Null.

Die optischen Eigenschaften eines Stoffes werden durch seinen Brechungsindex charakterisiert N, was damit verbunden ist ε Und μ einfache Beziehung: n = ± √(ε∙μ). Alle bekannten Materialien müssen ein „+“-Zeichen vor der Quadratwurzel haben und haben daher einen positiven Brechungsindex. Allerdings zeigte Veselago 1968, dass Substanzen mit negativer Wirkung ε Und μ Brechungsindex N muss kleiner als Null sein. Negativ ε oder μ entstehen, 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.

Wenn Sie mit der Hand ein Pendel 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. Drückt man ihn mit höherer Frequenz, dann stimmen die Stöße nicht mehr mit den phasengleichen Schwingungen überein 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.

Metamaterialien

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 negativ reagieren ε , und Ringe mit Schnitten können Material mit einem Negativ imitieren μ . 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.

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 erhalten ( UCSD). 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.

Kalifornische Wissenschaftler haben ein Metamaterial entworfen, das aus Wechselleitern und RKR besteht und in Form eines Prismas zusammengesetzt ist. Die Leiter sorgten für Minus ε , und Ringe mit Schnitten - negativ μ . Das Ergebnis hätte ein negativer Brechungsindex sein sollen. Zum Vergleich wurde ein genau gleich geformtes Prisma aus Teflon hergestellt N= 1,4. 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. Veselagos Annahme wurde Wirklichkeit: Endlich wurde ein Material mit negativem Brechungsindex erhalten. Oder nicht?

Gewünscht oder tatsächlich?

Experimente in UCSD Zusammen mit den bemerkenswerten neuen Vorhersagen, die Physiker über die Eigenschaften von Materialien mit negativem Brechungsindex machten, löste dies bei anderen Forschern eine Welle des Interesses aus. Als Veselago seine Hypothese formulierte, existierten Metamaterialien noch nicht und Experten untersuchten das Phänomen der negativen Brechung noch nicht sorgfältig. Jetzt begannen sie, ihr viel mehr Aufmerksamkeit zu schenken. Skeptiker haben gefragt, ob Materialien mit einem negativen Brechungsindex gegen grundlegende Gesetze der Physik verstoßen. Sollte dies der Fall sein, wäre das gesamte Forschungsprogramm in Frage gestellt.

Die heftigste Debatte wurde durch die Frage der Wellengeschwindigkeit in komplexem Material ausgelöst. Licht bewegt sich im Vakuum mit maximaler Geschwindigkeit C= 300.000 km/s. Die Lichtgeschwindigkeit im Material ist geringer: v =c/n. Aber was passiert, wenn N Negativ? Eine einfache Interpretation der Formel für die Lichtgeschwindigkeit zeigt, dass sich Licht in die entgegengesetzte Richtung ausbreitet.

Eine vollständigere Antwort berücksichtigt, dass die Welle zwei Geschwindigkeiten hat: Phase und Gruppe. Um ihre Bedeutung zu verstehen, stellen Sie sich einen Lichtimpuls vor, der sich durch ein Medium bewegt. Das sieht etwa so aus: Die Amplitude der Welle steigt in der Mitte des Pulses auf ein Maximum an und nimmt dann wieder ab. Die Phasengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der einzelnen Bursts und die Gruppengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Impulshülle bewegt. Sie müssen nicht gleich sein.

Veselago entdeckte, dass sich in einem Material mit negativem Brechungsindex die Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten in entgegengesetzte Richtungen bewegen: Einzelne Maxima und Minima bewegen sich nach hinten, während sich der gesamte Impuls nach vorne bewegt. Es ist interessant zu überlegen, wie sich ein kontinuierlicher Lichtstrahl von einer Quelle (z. B. einem Scheinwerfer), der in ein Material mit negativem Brechungsindex eingetaucht ist, verhält. Wenn wir einzelne Schwingungen einer Lichtwelle beobachten könnten, würden wir sehen, wie sie auf einem vom Strahl beleuchteten Objekt erscheinen, sich rückwärts bewegen und schließlich im Scheinwerferlicht verschwinden. Die Energie des Lichtstrahls bewegt sich jedoch vorwärts und entfernt sich von der Lichtquelle. In dieser Richtung breitet sich der Strahl tatsächlich aus, trotz der überraschenden Rückwärtsbewegung seiner einzelnen Schwingungen.

In der Praxis ist es schwierig, einzelne Schwingungen einer Lichtwelle zu beobachten, und die Form des Impulses kann sehr komplex sein. Deshalb nutzen Physiker oft einen cleveren Trick, um den Unterschied zwischen Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten darzustellen. Wenn sich zwei Wellen mit leicht unterschiedlichen Wellenlängen in die gleiche Richtung bewegen, interferieren sie und erzeugen ein Muster aus Schwebungen, deren Spitzen sich mit der Gruppengeschwindigkeit bewegen.

Anwendung dieser Technik auf das Experiment UCSD Durch die Brechung im Jahr 2002 beobachteten Prashant M. Valanju und seine Kollegen von der University of Texas in Austin etwas Interessantes. Durch die Brechung an der Grenzfläche zwischen Medien mit negativem und positivem Brechungsindex wurden zwei Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen in leicht unterschiedlichen Winkeln abgelenkt. Das Schwebungsmuster stellte sich nicht so heraus, wie es bei Strahlen mit negativer Brechung hätte sein sollen, sondern so, wie es bei positiver Brechung hätte sein sollen. Durch den Vergleich des Schlagmusters mit der Gruppengeschwindigkeit kamen die texanischen Forscher zu dem Schluss, dass jede physikalisch mögliche Welle eine positive Brechung erfahren sollte. Obwohl es ein Material mit einem negativen Brechungsindex geben könnte, kann eine negative Brechung nicht erreicht werden.

Wie können wir dann die Ergebnisse von Experimenten erklären? UCSD? Valanjou und viele andere Forscher führten die beobachtete negative Brechung auf andere Phänomene zurück. Vielleicht absorbierte die Probe so viel Energie, dass die Wellen nur an der Schmalseite des Prismas austraten und so eine negative Brechung vortäuschten? Immerhin Metamaterial UCSD absorbiert Strahlung sehr stark und die Messungen wurden in der Nähe des Prismas durchgeführt. Daher erscheint die Absorptionshypothese durchaus plausibel.

Die Ergebnisse gaben Anlass zu großer Sorge: Sie könnten nicht nur die Experimente entkräften UCSD, sondern auch die gesamte Bandbreite der von Veselago vorhergesagten Phänomene. Nach einigem Nachdenken wurde uns jedoch klar, dass wir uns nicht auf das Schlagmuster als Indikator für die Gruppengeschwindigkeit verlassen können: Bei zwei Wellen, die sich in unterschiedliche Richtungen bewegen, hat das Interferenzmuster nichts mit der Gruppengeschwindigkeit zu tun.

Als die Argumente der Kritiker zu bröckeln begannen, tauchten weitere experimentelle Beweise für eine negative Brechung auf. Minas Tanielian-Gruppe ( Minas Tanielian) von der Firma Boeing Phantom Works in Seattle wiederholte das Experiment UCSD mit einem Prisma aus Metamaterial mit sehr geringer Absorption. Darüber hinaus befand sich der Sensor viel weiter vom Prisma entfernt, sodass die Absorption im Metamaterial nicht mit der negativen Brechung des Strahls verwechselt werden konnte. Die überlegene Qualität der neuen Daten beseitigt alle Zweifel an der Existenz einer negativen Refraktion.

Fortsetzung folgt

Als sich der Rauch der Schlacht lichtete, wurde uns klar, dass die bemerkenswerte Geschichte, die Veselago erzählte, nicht das letzte Wort in Bezug auf Materialien mit negativem Index war. Der sowjetische Wissenschaftler nutzte die Methode der geometrischen Konstruktion von Lichtstrahlen unter Berücksichtigung von Reflexion und Brechung an den Grenzen verschiedener Materialien. Diese leistungsstarke Technik hilft uns beispielsweise zu verstehen, warum Objekte in einem Schwimmbad näher an der Oberfläche erscheinen, als sie tatsächlich sind, und warum ein halb in Flüssigkeit eingetauchter Bleistift verbogen erscheint. Die Sache ist, dass der Brechungsindex von Wasser ( N= 1,3) ist größer als die von Luft und Lichtstrahlen werden an der Grenze zwischen Luft und Wasser gebrochen. Der Brechungsindex entspricht ungefähr dem Verhältnis der tatsächlichen Tiefe zur scheinbaren Tiefe.

Veselago nutzte die Strahlverfolgung, um vorherzusagen, dass der Strahl aus einem Material mit negativem Brechungsindex bestand N= −1 sollte als Linse mit einzigartigen Eigenschaften wirken. 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.

Veselagos Objektiv ist so ungewöhnlich, dass John Pendry ( John B. Pendry) Ich musste mich fragen: Wie perfekt kann es funktionieren? 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 Lithographieprozess bei der 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.

Um festzustellen, ob negativ brechende Optiken tatsächlich herkömmliche („positive“) Optiken übertreffen könnten, müssen wir über die bloße Betrachtung des Strahlengangs hinausgehen. Der erstere Ansatz vernachlässigt die Beugung und kann daher nicht zur Vorhersage der Auflösung negativ brechender Linsen verwendet werden. Um die Beugung einzubeziehen, mussten wir eine genauere Beschreibung des elektromagnetischen Feldes verwenden.

Superlinse

Um es genauer zu beschreiben: Elektromagnetische Wellen von jeder Quelle – emittierende Atome, Radioantennen oder ein Lichtstrahl – erzeugen nach dem Durchgang durch ein kleines Loch zwei verschiedene Arten von Feldern: Fernfeld und Nahfeld. Das Fernfeld wird, wie der Name schon sagt, weit entfernt von einem Objekt beobachtet und von einer Linse erfasst, wodurch ein Bild des Objekts entsteht. Leider enthält dieses Bild nur ein grobes Bild des Objekts, bei dem die Beugung die Auflösung auf die Wellenlänge beschränkt. Das Nahfeld enthält alle feinen Details eines Objekts, seine Intensität nimmt jedoch mit zunehmender Entfernung schnell ab. Positiv brechende Linsen bieten keine Chance, das extrem schwache Nahfeld abzufangen und seine Daten in das Bild zu übertragen. Dies gilt jedoch nicht für negativ brechende Linsen.

Nachdem er im Detail untersucht hatte, wie die Nah- und Fernfelder der Quelle mit der Veselago-Linse interagieren, kam Pendry im Jahr 2000 zu jedermanns Überraschung zu dem Schluss, dass die Linse im Prinzip sowohl Nah- als auch Fernfelder fokussieren kann. Sollte diese verblüffende Vorhersage wahr sein, würde das bedeuten, dass die Veselago-Linse im Gegensatz zu allen anderen bekannten Optiken nicht der Beugungsgrenze unterliegt. Daher wurde eine flache Struktur mit negativer Brechung als Superlinse bezeichnet.

In der anschließenden Analyse stellten wir und andere fest, dass die Auflösung der Superlinse durch die Qualität ihres negativ brechenden Materials begrenzt ist. Für eine optimale Leistung ist nicht nur der Brechungsindex erforderlich N gleich −1 war, aber auch, dass ε und μ beide gleich −1 waren. Ein Objektiv, bei dem diese Bedingungen nicht erfüllt sind, weist eine stark verminderte Auflösung auf. Die gleichzeitige Erfüllung dieser Bedingungen ist eine sehr schwerwiegende Anforderung. Aber im Jahr 2004 Anthony Grbic ( Anthony Grbic) und George Eleftheriades ( George V. Eleftheriades) von der University of Toronto haben experimentell gezeigt, dass ein Metamaterial, das so konstruiert ist, dass es im Radiofrequenzbereich ε = −1 und μ = −1 aufweist, tatsächlich Objekte in einem Maßstab auflösen kann, der kleiner als die Beugungsgrenze ist. Ihr Ergebnis bewies, dass eine Superlinse gebaut werden kann, aber kann sie auch für noch kürzere optische Wellenlängen geschaffen werden?

Die Schwierigkeit, Metamaterialien auf optische Wellenlängen zu skalieren, hat zwei Seiten. Zunächst müssen die metallischen leitenden Elemente, die die Metamaterial-Chips bilden, wie etwa Leiter und Spaltringe, auf die Nanometerskala verkleinert werden, sodass sie kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (400–700 nm) sind. Zweitens entsprechen kurze Wellenlängen höheren Frequenzen, und Metalle bei solchen Frequenzen haben eine schlechtere Leitfähigkeit, wodurch die Resonanzen unterdrückt werden, auf denen die Eigenschaften von Metamaterialien basieren. Im Jahr 2005 Kostas Soukolis ( Costas Soukoulis) von der University of Iowa und Martin Wegener ( Martin Wegener) von der Universität Karlsruhe in Deutschland haben experimentell gezeigt, dass es möglich ist, Spaltringe herzustellen, die bei Wellenlängen von nur 1,5 Mikrometern arbeiten. Obwohl bei so kurzen Wellenlängen die Resonanz auf die magnetische Komponente des Feldes sehr schwach wird, können mit solchen Elementen dennoch interessante Metamaterialien gebildet werden.

Aber wir können noch kein Material herstellen, das bei sichtbaren Lichtwellenlängen μ = −1 ergibt. Glücklicherweise ist ein Kompromiss möglich. Wenn der Abstand zwischen Objekt und Bild viel kleiner als die Wellenlänge ist, muss nur die Bedingung ε = −1 erfüllt sein und der Wert von μ kann vernachlässigt werden. Erst letztes Jahr hat Richard Blakeys Band ( Richard Blaikie) von der University of Canterbury in Neuseeland und Xiang Jangs Gruppe ( Xiang Zhang) von der University of California, Berkeley, befolgte diese Richtlinien und demonstrierte unabhängig voneinander die Superauflösung in einem optischen System. Bei optischen Wellenlängen können die Eigenresonanzen des Metalls zu einer negativen Dielektrizitätskonstante (ε) führen. Daher kann eine sehr dünne Metallschicht bei einer Wellenlänge von ε = −1 als Superlinse wirken. Sowohl Blakey als auch Jung verwendeten eine etwa 40 nm dicke Silberschicht, um 365-nm-Lichtstrahlen abzubilden, die von geformten Löchern emittiert wurden, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts waren. Obwohl der Silberfilm alles andere als ein ideales Objektiv war, verbesserte die Silber-Superlinse die Bildauflösung erheblich und bewies damit, dass das Grundprinzip der Superlinse richtig war.

Ein Blick in die Zukunft

Die Superlinsen-Demonstration ist nur die jüngste von vielen Vorhersagen über die Eigenschaften künftiger negativ brechender Materialien und ein Zeichen für den raschen Fortschritt, der in diesem expandierenden Bereich stattfindet. Die Möglichkeit der negativen Brechung zwang die Physiker dazu, fast das gesamte Gebiet des Elektromagnetismus zu überdenken. Und wenn diese Ideenvielfalt vollständig verstanden ist, müssen grundlegende optische Phänomene wie die Brechung und die Beugungsgrenze der Auflösung neu überdacht werden, um den neuen unerwarteten Wendungen Rechnung zu tragen, die mit negativ brechenden Materialien einhergehen.

Die Magie der Metamaterialien und die Magie der negativen Brechung müssen noch in angewandte Technologie „umgewandelt“ werden. Ein solcher Schritt erfordert eine Verbesserung des Designs von Metamaterialien und deren Herstellung zu angemessenen Kosten. Mittlerweile gibt es viele Forschungsgruppen auf diesem Gebiet, die intensiv an der Lösung des Problems arbeiten.

Theorie und Praxis von Victor Veselago

Das Schicksal von Viktor Georgievich Veselago, Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften, IOFAN-Mitarbeiter und Professor am Moskauer Institut für Physik und Technologie, spielte einen interessanten Scherz für ihn. Nachdem er sein ganzes Leben der Praxis und dem Experimentieren gewidmet hatte, erhielt er internationale Anerkennung für seine theoretische Vorhersage eines der interessantesten Phänomene der Elektrodynamik.

Schicksalhafter Unfall

Viktor Georgievich Veselago wurde am 13. Juni 1929 in der Ukraine geboren und interessierte sich seiner Meinung nach bis zu einem gewissen Zeitpunkt nicht für Physik. Und dann ereignete sich einer dieser schicksalhaften Unfälle, die nicht nur die Richtung des Lebens eines Menschen, sondern letztendlich auch den Vektor der Entwicklung der Wissenschaft veränderten. In der siebten Klasse wurde der Junge krank und begann, um sich die Zeit zu vertreiben, alle Bücher hintereinander zu lesen. Darunter war „Was ist Radio?“ Kina, nach der Lektüre interessierte sich der Schüler ernsthaft für Funktechnik. Als sich am Ende der zehnten Klasse die Frage nach der Wahl einer Universität stellte, erwähnte einer meiner Freunde, dass an der Moskauer Universität eine neue Abteilung für Physik und Technologie eröffnet werde, an der es neben anderen Fachgebieten auch Radiophysik gebe.

Bewerber an der Technischen Fakultät der Moskauer Staatlichen Universität mussten einen „Marathon“ von neun Prüfungen bestehen. Beim allerersten von ihnen – der schriftlichen Mathematik – erhielt Veselago eine „Zwei“... Heute erklärt er diese „Peinlichkeit“ damit, dass er einfach verwirrt war und sich in einem riesigen Publikum wiederfand, wo er sich buchstäblich wie ein Körnchen fühlte Sand. Als er am nächsten Tag kam, um seine Unterlagen abzuholen, riet ihm der stellvertretende Dekan Boris Osipovich Solonouts (der hinter seinem Rücken einfach BOS genannt wurde), zur nächsten Prüfung zu kommen. Da es nichts zu verlieren gab, tat der junge Mann genau das. Alle anderen acht Prüfungen habe ich mit einer Eins bestanden und wurde angenommen. Später, viele Jahre später, stellte sich heraus, dass es eine ganze Reihe solcher „Verlierer“ gab, und das Dekanat beschloss, Bewerber nicht aufgrund der Ergebnisse der ersten Prüfung auszusortieren.

Dann folgten vier Studienjahre, die Viktor Georgievich heute als die glücklichste Zeit seines Lebens bezeichnet. Den Studenten wurden Vorlesungen von Koryphäen wie Pjotr Leonidowitsch Kapitsa, Lew Davidowitsch Landau usw. gehalten. Viktor Veselago verbrachte sein Sommerpraktikum bei einer Radioastronomiestation auf der Krim, wo er deren Direktor, den FIAN-Mitarbeiter Professor Semyon Emmanuilovich Khaikin, traf. Es stellte sich heraus, dass er es war, der das Buch „What is Radio?“ unter dem Pseudonym Keen schrieb.

Im Jahr 1951 wurde die Fakultät für Physik und Technologie der Moskauer Staatlichen Universität geschlossen – sie „wuchs“ zum Moskauer Institut für Physik und Technologie heran, und Studenten der ehemaligen Fakultät für Physik und Technologie wurden auf andere Fakultäten verteilt. Viktor Georgievich landete an der Fakultät für Physik der Moskauer Staatlichen Universität und schloss diese offiziell ab, betrachtet sich jedoch als Absolvent des Instituts für Physik und Technologie. Veselago verteidigte seine Dissertation bei Alexander Michailowitsch Prochorow am Physikinstitut. P. N. Lebedev, wo er später unter seiner Leitung weiterarbeitete. Zuerst - am FIAN und von 1982 bis heute - am daraus hervorgegangenen Institut für Allgemeine Physik (IOFAN, das heute den Namen A.M. Prokhorov trägt).

Aufbau von „Solenoid“

Um superstarke Magnetfelder zu erhalten, baute das Lebedew-Physikalische Institut in den 1960er Jahren eine Anlage namens „Solenoid“. GIPRONII war am Entwurf beteiligt, aber Viktor Georgievich entwickelte die Hauptelemente des Projekts selbst. Er glaubt bis heute, dass eine seiner wichtigsten Errungenschaften neben der wissenschaftlichen die Rampe war, die es ermöglichte, Karren mit schwerem Gerät ins Erdgeschoss zu bringen. Für die Schaffung einer Anlage zur Erzeugung starker Magnetfelder erhielt Veselago zusammen mit einer Reihe von Mitarbeitern des Lebedew-Physikalischen Instituts und anderer wissenschaftlicher Organisationen 1974 einen Staatspreis.

Links und rechts

In den 1960er Jahren begann sich Viktor Georgievich für Materialien zu interessieren, die sowohl Halbleiter als auch Ferromagnete sind. 1967 veröffentlichte er in der Zeitschrift Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) einen Artikel mit dem Titel „Elektrodynamik von Stoffen mit gleichzeitig negativen Werten von ε und μ“, in dem der Begriff „Stoffe mit negativem Brechungsindex n“ erstmals eingeführt wurde und ihre möglichen Eigenschaften wurden beschrieben.

Wie der Wissenschaftler erklärte, werden Halbleitereigenschaften durch den Wert Epsilon (ε) – Dielektrizitätskonstante, und magnetische Eigenschaften durch den Wert Mu (μ) – magnetische Permeabilität – beschrieben. Diese Größen sind normalerweise positiv, es gibt jedoch auch Substanzen, bei denen ε negativ und μ positiv ist oder umgekehrt. Veselago fragte sich: Was passiert, wenn beide Größen negativ sind? Aus mathematischer Sicht ist das möglich, aber aus physikalischer Sicht? Viktor Georgievich zeigte, dass ein solcher Zustand nicht den Naturgesetzen widerspricht, aber die Elektrodynamik solcher Materialien unterscheidet sich deutlich von denen, bei denen sie gleichzeitig größer als Null ist. Erstens die Tatsache, dass in ihnen die Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten elektromagnetischer Schwingungen in verschiedene Richtungen gerichtet sind (in einer normalen Umgebung - in eine Richtung).

Veselago nannte Materialien mit negativem Brechungsindex „linkshändig“ und solche mit positivem Brechungsindex „rechtshändig“, basierend auf der relativen Position der drei Vektoren, die die Ausbreitung elektromagnetischer Schwingungen charakterisieren. Die Brechung an der Grenze zweier solcher Medien erfolgt spiegelnd in Bezug auf die z-Achse.

Nachdem Viktor Georgievich seine Ideen theoretisch untermauert hatte, versuchte er, sie insbesondere in magnetischen Halbleitern in die Praxis umzusetzen. Es war jedoch nicht möglich, das benötigte Material zu beschaffen. Erst im Jahr 2000 bewies eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of California in San Diego in den USA mithilfe eines Verbundmediums, dass eine negative Brechung möglich ist. Die Forschungen von Victor Veselago legten nicht nur den Grundstein für eine neue wissenschaftliche Richtung (siehe: D. Pandry, D. Smith. Auf der Suche nach einer Superlinse), sondern ermöglichten auch die Klärung einiger physikalischer Formeln, die die Elektrodynamik von Substanzen beschreiben. Tatsache ist, dass eine Reihe von in Lehrbüchern angegebenen Formeln nur in der sogenannten nichtmagnetischen Näherung anwendbar sind, also wenn die magnetische Permeabilität gleich eins ist, nämlich für den Sonderfall nichtmagnetischer Materialien. Aber für Substanzen, deren magnetische Permeabilität von Eins verschieden oder negativ ist, sind andere, allgemeinere Ausdrücke erforderlich. Auch Veselago betrachtet den Hinweis auf diesen Umstand als wichtiges Ergebnis seiner Arbeit.

Treten Sie ein in die Zukunft

Nach dem prophetischen Artikel interessierte sich der Forscher, getreu dem Prinzip, alle 5-6 Jahre die Themen zu wechseln, für neue Bereiche: magnetische Flüssigkeiten, Photomagnetismus, Supraleitung.

Seinen Erinnerungen zufolge durchlief er während seiner Zeit bei FIAN-IOFAN im Allgemeinen den Standardweg eines „sowjetischen Wissenschaftlers“ – vom Doktoranden zum Doktor der Naturwissenschaften, Leiter der Abteilung für starke Magnetfelder, der von der Ende der 1980er Jahre waren etwa 70 Personen in 5-7 verschiedenen Richtungen tätig. Tatsächlich handelte es sich bei der Abteilung um ein kleines Institut im Institut, das in dieser Zeit mehr als 30 wissenschaftliche Kandidaten hervorbrachte.

Jetzt leitet Viktor Georgievich das Labor für magnetische Materialien der nach ihm benannten Abteilung für starke Magnetfelder des IOFAN. A. M. Prochorowa. Für die Werkreihe „Grundlagen der Elektrodynamik von Medien mit negativem Brechungsindex“ wurde er 2004 mit dem Akademiker V.A. ausgezeichnet. Foka.

Viktor Georgievich lehrt seit mehr als 40 Jahren am Moskauer Institut für Physik und Technologie. Heute ist er Professor am Fachbereich Angewandte Physik der Fakultät für Physik und Energieprobleme, unterrichtet den von ihm geschaffenen Kurs „Grundlagen der Schwingungsphysik“ und leitet außerdem Seminare und Laborkurse am Fachbereich Allgemeine Physik.

V. G. Veselago gehört zu einem seltenen Wissenschaftlertyp, der sich durch ein breites Spektrum wissenschaftlicher Interessen auszeichnet. Er ist ein ausgezeichneter Theoretiker und gleichzeitig Experimentalphysiker, Ingenieur und Konstrukteur von Anlagen mit starken Magnetfeldern. Er ist auch als Professor talentiert, da er einen großen Beitrag zur Lehre der allgemeinen Physik am MIPT geleistet und viele Studenten betreut hat. Es sind diese Eigenschaften des Wissenschaftlers, die die Persönlichkeit von Viktor Georgievich so attraktiv machen.

Invasion des World Wide Web

In den letzten 15 Jahren hat der Physiker sein Interessenspektrum erneut verändert bzw. erweitert und ist Initiator zweier Netzwerkprojekte.

Im Jahr 1993 wurde der Infomag-Dienst gegründet, der Inhaltsverzeichnisse wissenschaftlicher und technischer Zeitschriften sowie ausländische wissenschaftliche elektronische Bulletins an Wissenschaftler verteilt. Alles begann damit, dass IOFAN als einer der ersten mit dem Internet verbunden war. Nachdem Veselago seine erste E-Mail-Adresse erhalten hatte, interessierte er sich für Physik-Telefonkonferenzen und begann, den Newsletter zu erhalten Physik-News-Update, die er an seine Kollegen weiterleitete. Anschließend organisierte er den Vertrieb von Inhalten und anderen wissenschaftlichen Zeitschriften. Die ersten Veröffentlichungen, die dem Infomag-Dienst Informationen lieferten, waren das Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP), Letters to JETP und Instruments and Experimental Techniques. Mittlerweile umfasst die Liste mehr als 150 Einträge.

Der Erfolg von Infomag trug zur Entstehung der zweiten „Idee“ von Veselago bei – Russlands erster elektronischer Wissenschaftszeitschrift mit mehreren Themenbereichen „Researched in Russia“, die 1998 gegründet wurde. Es erscheint ausschließlich in elektronischer Form und veröffentlicht jährlich etwa 250 Artikel, sowohl aus den Natur- als auch aus den Geisteswissenschaften.

Laut Viktor Georgievich ist der Bedarf an elektronischen wissenschaftlichen Publikationen in Russland sehr groß, nicht nur als eigenständige Einheiten, sondern auch im Rahmen von Online-Versionen gedruckter Publikationen. In Russland werden mehrere hundert akademische, wissenschaftliche und technische Zeitschriften veröffentlicht, die überwiegende Mehrheit davon ist jedoch nicht in elektronischer Form verfügbar, und daher haben inländische Spezialisten keinen sofortigen Zugriff auf die Ergebnisse der Arbeit ihrer Kollegen, was eine fruchtbare und fruchtbare Arbeit beeinträchtigt zeitnaher Dialog zwischen Wissenschaftlern.

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-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 Lithographieprozess bei der 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.

Also Kathedralen aus supervitalen Kristallen
Gewissenhaftes Spinnenlicht,
Die Rippen entwirren, sie noch einmal
Lässt sich in einem einzigen Bündel zusammenfassen.
O. Mandelstam

Kinderproblem „Was ist schwerer, ein Kilogramm Watte oder ein Kilogramm Eisenspäne?“ wird einen schlagfertigen Erstklässler nur verwirren. Es ist viel interessanter, über das Thema zu spekulieren: „Welche Eigenschaften wird das Material haben, das wir erhalten, wenn wir fein gemahlene Watte und Eisenspäne sorgfältig mischen?“ Es ist intuitiv klar: Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie sich an die Eigenschaften von Eisen und Watte erinnern. Anschließend können Sie mit Sicherheit sagen, dass das resultierende Material höchstwahrscheinlich beispielsweise auf die Anwesenheit eines Magneten und Wasser reagiert. Werden die Eigenschaften eines mehrphasigen Materials jedoch immer allein durch die Eigenschaften der Komponenten bestimmt, aus denen es besteht? Ich möchte diese Frage positiv beantworten, da es schwierig ist, sich beispielsweise eine Mischung aus Dielektrika (z. B. Sägemehl und Schaumstoffkugeln) vorzustellen, die elektrischen Strom leitet.

„Das gibt es nur im Märchen!“ - Der Erstklässler wird versuchen, sich zu rehabilitieren, indem er sich an die zahlreichen Zauberer und Zauberinnen aus Kindermärchen erinnert, die durch das Mischen aller Arten von Fliegenpilzen, Froschschenkeln und Fledermausflügeln Zauberpulver erhielten, deren magische Eigenschaften genau genommen , sind für Fliegenpilze und Froschschenkel nicht charakteristisch. Überraschenderweise kennt die moderne Wissenschaft jedoch Beispiele dafür, wie die Kombination ganz gewöhnlicher Materialien es ermöglicht, Objekte zu schaffen, deren Eigenschaften nicht nur nicht den verwendeten Komponenten innewohnen, sondern im Prinzip nicht in der Natur zu finden sind und, wie es scheint, nicht zu finden sind Auf den ersten Blick sind sie durch die Gesetze der Physik verboten. „Das ist ein Wunder!“, wird der Erstklässler sagen. „Nein, das sind Metamaterialien!“ - Ein moderner Wissenschaftler wird Einwände erheben. Und beide werden auf ihre Weise Recht haben, denn aus Sicht der klassischen Wissenschaft sind Metamaterialien in der Lage, wahre Wunder zu bewirken. Der Prozess der Erstellung eines Metamaterials ähnelt jedoch auch der Magie, denn Es reicht nicht aus, die Komponenten eines Metamaterials einfach zu mischen; sie müssen richtig strukturiert sein.

Metamaterialien sind Verbundwerkstoffe, deren Eigenschaften weniger durch die einzelnen physikalischen Eigenschaften ihrer Bestandteile als vielmehr durch deren 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.

Eine der in letzter Zeit am heftigsten diskutierten Arten von Metamaterialien sind Objekte mit negativem Brechungsindex. Aus dem Schulphysikunterricht ist bekannt, dass der Brechungsindex des Mediums ( N) ist eine Größe, die angibt, wie oft die Phasengeschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung im Medium ( V) kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ( C): n=c/V. Der Brechungsindex des Vakuums ist gleich 1 (was sich tatsächlich aus der Definition ergibt), während er für die meisten optischen Medien größer ist. Gewöhnliches Silikatglas hat beispielsweise einen Brechungsindex von 1,5, was bedeutet, dass sich Licht darin mit einer 1,5-mal geringeren Geschwindigkeit ausbreitet als im Vakuum. Es ist wichtig zu beachten, dass der Wert von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abhängt N variieren.

Am häufigsten wird der Brechungsindex eines Materials berücksichtigt, wenn man den Effekt der Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen zwei optischen Medien betrachtet. Dieses Phänomen wird durch das Snelliussche Gesetz beschrieben:

n 1 sinα = n 2 sinβ,

Dabei ist α der Einfallswinkel des Lichts, das aus einem Medium mit dem Brechungsindex n 1 kommt, und β der Brechungswinkel des Lichts in einem Medium mit dem Brechungsindex n 2.

Bei allen in der Natur vorkommenden Medien werden die Strahlen des einfallenden und des gebrochenen Lichts auf gegenüberliegenden Seiten der Normalen an der Grenzfläche zwischen den Medien am Brechungspunkt wiederhergestellt (Abb. 1a). Wenn wir jedoch n 2 offiziell in das Snelliussche Gesetz einsetzen<0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

Der sowjetische Physiker V. Veselago wies vor fast 40 Jahren auf die theoretische Möglichkeit der Existenz einzigartiger Materialien mit negativem Brechungsindex hin. Tatsache ist, dass der Brechungsindex durch eine einfache Beziehung mit zwei anderen grundlegenden Eigenschaften der Materie, der Dielektrizitätskonstante ε und der magnetischen Permeabilität μ, zusammenhängt: n 2 = ε·μ. Trotz der Tatsache, dass diese Gleichung sowohl durch positive als auch negative Werte von n erfüllt wird, weigerten sich Wissenschaftler lange Zeit, an die physikalische Bedeutung des letzteren zu glauben – bis Veselago zeigte, dass n< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Bekannt sind natürliche Materialien mit einer negativen Dielektrizitätskonstante – jedes Metall bei Frequenzen oberhalb der Plasmafrequenz (bei der das Metall transparent wird). In diesem Fall ε< 0 достигается за счет того, что свободные электроны в металле экранируют внешнее электромагнитное поле. Гораздо сложнее создать материал с μ < 0, в природе такие материалы не существуют. Именно по этой причине работы Веселаго долгое время не привлекали должного внимания научной общественности. Прошло 30 лет, прежде чем английский ученый Д.Пендри (John Pendry) в 1999 г. показал, что отрицательная магнитная проницаемость может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L, а зазору соответствует эффективная емкость С, систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой ω 0 ~ 1/(LC) -1/2 . При этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω 0 и отрицательным при ω > ω 0 .

Somit sind Systeme möglich, die sowohl auf die elektrischen als auch auf die magnetischen Komponenten elektromagnetischer Strahlung negativ reagieren. Amerikanische Forscher unter der Leitung von David Smith waren im Jahr 2000 die ersten, die beide Systeme in einem Material kombinierten. Das erzeugte Metamaterial bestand aus Metallstäben, die für ε verantwortlich waren< 0, и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0. Несомненно, структуру, изображенную на Рис.2, сложно назвать материалом в традиционном смысле этого слова, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Между тем, данная структура «оптимизирована» для микроволнового излучения, длина волны которого значительного больше отдельных структурных элементов метаматериала. Поэтому с точки зрения микроволн последний также однороден, как например, оптическое стекло для видимого света. Последовательно уменьшая размеры структурных элементов можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцового и инфракрасного диапазонов спектра. Ученые ожидают, что благодаря достижениям современных нанотехнологий в самое ближайшее время будут созданы метаматериалы и для видимого диапазона спектра.

Aus physikalischer Sicht sind Metamaterialien mit negativem Brechungsindex die Antipoden konventioneller Materialien. Bei einem negativen Brechungsindex ist die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung umgekehrt; die Doppler-Verschiebung erfolgt in die entgegengesetzte Richtung; Cherenkov-Strahlung von einem sich bewegenden geladenen Teilchen erfolgt nicht vorwärts, sondern rückwärts; Sammellinsen werden divergent und umgekehrt... Und das alles ist nur ein kleiner Teil der erstaunlichen Phänomene, die bei Metamaterialien mit negativem Brechungsindex möglich sind. Der praktische Einsatz solcher Materialien ist in erster Linie mit der Möglichkeit verbunden, darauf basierende Terahertz-Optiken zu schaffen, was wiederum zur Entwicklung der Meteorologie und Ozeanographie, zur Entstehung von Radargeräten mit neuen Eigenschaften und Allwettergeräten führen wird Navigationsgeräte, Geräte zur Ferndiagnose der Qualität von Teilen und Sicherheitssysteme, mit denen Sie Waffen unter der Kleidung erkennen können, sowie einzigartige medizinische Geräte.

Literatur

DR. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Verbundmedium mit gleichzeitig negativer Permeabilität und Permittivität, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.