Materijali s negativnim indeksom loma. Metamaterijali: kako stvoriti materiju s nepostojećim svojstvima Materijali s negativnim indeksom loma

Viktor Georgijevič Veselago

Prije gotovo 40 godina, sovjetski znanstvenik Viktor Veselago pretpostavio je postojanje materijala s negativnim indeksom loma:

Metamaterijali su kompozitni materijali čija svojstva nisu određena pojedincem fizička svojstva njihove komponente, koliko mikrostruktura. Pojam "metamaterijali" posebno se često koristi u odnosu na one kompozite koji pokazuju svojstva koja nisu karakteristična za objekte koji se nalaze u prirodi. .

valna jednadžba

Iz Maxwellovih jednadžbi za homogeni neutralni nevodljivi medij slijedi da je in elektromagnetska polja moguće je širiti elektromagnetske valove s faznom brzinom

U vakuumu je ta brzina jednaka brzini svjetlosti

Dakle, fazna brzina e-m širiti. valova u tvari određena je magnetskom i dielektričnom permitivnošću medija.

Omjer brzine svjetlosti u vakuumu prema | prema | brzina svjetlosti u mediju - n naziva se apsolutni indeks loma sredstva

Victor Veselago iznio je sljedeću hipotezu:

“Ako ne uzmemo u obzir gubitke i smatramo n, ε i μ realnim brojevima, onda je jasno da istovremena promjena predznaka ε i μ ni na koji način ne utječe na omjer. Ova situacija se može objasniti različiti putevi. Prvo, može se uočiti da svojstva tvari zapravo ne ovise o istodobnoj promjeni predznaka ε i μ. Drugo, može se pokazati da je istovremena negativnost ε i μ u suprotnosti s nekim osnovnim zakonima prirode, pa stoga tvari s 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.»

"Desni" i "lijevi" izotropni mediji

Neka se ravni elektromagnetski val širi u homogenom neutralnom nevodljivom sredstvu u smjeru osi x, čija je valna fronta okomita na smjer širenja.

Vektori i tvore desni sustav sa smjerom širenja valova, koji se u fiksnoj točki prostora mijenjaju tijekom vremena prema harmonijskom zakonu u jednoj fazi.

Takva se okruženja, odnosno, nazivaju "desna".

Okoline u kojima su ε, μ oba negativna nazivaju se "lijevo".

Za takve medije električni, magnetski i valni vektori tvore sustav lijevih vektora.

Doista, ako gurnete visak rukom, ono će se poslušno pomaknuti u smjeru guranja i početi oscilirati s takozvanom rezonantnom frekvencijom. Guranjem njihala u ritmu njihanja možete povećati amplitudu osciliranja. Ako ga gurnete s višom frekvencijom, tada se udari više neće podudarati s oscilacijama u fazi, au nekom trenutku kazaljka će biti pogođena viskom koji se kreće prema njemu. Slično, elektroni u materijalu s negativnim indeksom loma ulaze u protufazu i počinju se opirati "udarcima" elektromagnetskog polja.

Tako je 1968. godine Veselago pokazao da tvar s negativnim ε i μ mora imati indeks loma n manji od 0.

Eksperimentalna potvrda.

Elektroni u materijalu se kreću naprijed-natrag pod djelovanjem električno polje a u krugu pod utjecajem magnetskih. Stupanj međudjelovanja određen je dvjema karakteristikama tvari: permitivnošću ε i magnetskom permeabilnošću μ. Prvi pokazuje stupanj reakcije elektrona na električno polje, drugi - stupanj reakcije na magnetsko. Velika većina materijala ima ε i μ veće od nule.

Negativni ε ili μ se dobivaju kada se elektroni u materijalu kreću u suprotnom smjeru od sila koje stvaraju električni i magnetska polja. Iako se ovo ponašanje čini paradoksalnim, natjerati elektrone da se kreću protiv sila električnog i magnetskog polja nije tako teško.

Gdje i kako tražiti takve tvari?

Prva eksperimentalna potvrda mogućnosti stvaranja materijala s negativnim indeksom loma dobivena je 2000. godine na Kalifornijskom sveučilištu u San Diegu (UCSD). Budući da elementarne cigle metamaterijala moraju biti mnogo manje od valne duljine, istraživači su radili sa zračenjem u centimetarskom rasponu i koristili elemente veličine nekoliko milimetara.

Ključ ove vrste negativne reakcije je rezonancija, odnosno tendencija osciliranja na određenoj frekvenciji. Stvoren je umjetno u metamaterijalu pomoću sićušnih rezonantnih krugova koji oponašaju odgovor tvari na magnetsko ili električno polje. Na primjer, u rezonatoru s prekinutim prstenom (RCR), magnetski tok koji prolazi kroz metalni prsten inducira kružne struje u njemu, slične strujama koje uzrokuju magnetizam nekih materijala. A u rešetki ravnih metalnih šipki, električno polje stvara struje usmjerene duž njih. Slobodni elektroni u takvim krugovima titraju s rezonantnom frekvencijom ovisno o obliku i veličini vodiča. Ako se primijeni polje s frekvencijom ispod rezonantne frekvencije, primijetit će se normalan pozitivan odgovor. Međutim, kako frekvencija raste, odziv postaje negativan, baš kao u slučaju da se njihalo kreće prema vama, ako ga gurate s frekvencijom iznad rezonantne. Dakle, vodiči u određenom rasponu frekvencija mogu reagirati na električno polje kao medij s negativnim ε, a rezani prstenovi mogu imitirati materijal s negativnim μ. Ovi vodiči i izrezani prstenovi građevni su blokovi potrebni za stvaranje širokog spektra metamaterijala, uključujući i one koje je Veselago tražio.

Kalifornijski znanstvenici dizajnirali su metamaterijal koji se sastoji od izmjeničnih vodiča i RRC-a sastavljenih u obliku prizme. Vodiči su davali negativni ε, dok su razdvojeni prstenovi davali negativni μ. Rezultat je trebao biti negativan indeks loma. Za usporedbu, od teflona je izrađena prizma potpuno istog oblika, u kojoj je n = 1,4. Istraživači su usmjerili snop mikrovalnog zračenja na rub prizme i izmjerili intenzitet valova koji iz nje izlaze pod različitim kutovima. Kao što je i očekivano, zraka je doživjela pozitivan lom na teflonskoj prizmi i negativan lom na metamaterijalnoj prizmi.

Posljedice.

Lom na granici između dva medija različite ispravnosti.

Superlens.

Jednostavna planparalelna metamaterijalna ploča s n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

Planparalelna ploča izrađena od metamaterijala s n<0

U pravom okruženju prostor slike leće nije identičan samom objektu, budući da se formira bez evanescentnih valova. U lijevom mediju prigušeni valovi ne opadaju, naprotiv, njihova amplituda raste kako se val udaljava od objekta, tako da se slika formira uz sudjelovanje prigušenih valova, što može omogućiti dobivanje slika bolje rezolucije od difrakcijska granica. Moguće je prevladati granicu difrakcije pri stvaranju takvih optičkih sustava, povećati razlučivost mikroskopa uz njihovu pomoć, stvoriti mikrosklopove nanomjera i povećati gustoću snimanja na optičkim nosačima informacija.

negativni tlak

Refleksija zrake koja se širi u sredstvu s 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.

Vijesti

Početkom 2007. najavljeno je stvaranje metamaterijala s negativnim indeksom loma u vidljivom području. Indeks loma materijala na valnoj duljini od 780 nm bio je -0,6

2011. godine objavljeni su članci - u SAD-u je testirana tehnologija koja omogućuje masovnu proizvodnju velikih listova metamaterijala.

Metamaterijali tiskanjem

Zaključak

Proučavanje i stvaranje novih metamaterijala s jedinstvenim svojstvima omogućit će čovječanstvu značajan napredak u mnogim područjima znanosti i tehnologije u bliskoj budućnosti. Ovo je astronomsko istraživanje zahvaljujući superlećama koje nadilaze difrakcijsku granicu rezolucije; alternativni izvori energije - bit će novi solarni paneli s učinkovitošću većom od 20%; materijali - nevidljivi itd. Broj pravaca istraživanja je ogroman i što je najvažnije uspješni su.

MOSKVA,26 Ruj — RIA Novosti, Olga Kolentsova. Ponekad se dostignuća moderne tehnologije mogu zamijeniti za magiju. Egzaktna znanost djeluje umjesto magije. Jedno od područja istraživanja, čiji bi rezultati mogli dobro poslužiti kao ilustracija svojstava "bajnih atributa", jesu razvoj i stvaranje metamaterijala.

Matematičari su pronašli način da metamaterijal pretvore u "svjetlosno računalo"Matematičari su otkrili da se svojstva metamaterijala mogu, u teoriji, promijeniti tako da skup od nekoliko različitih dijelova takvih spojeva može izvoditi složene matematičke operacije s jednom zrakom svjetlosti.

S čisto fizikalnog gledišta, metamaterijali su umjetno oblikovane i posebno izgrađene strukture koje imaju elektromagnetska ili optička svojstva nedostižna u prirodi. Potonja su određena čak i karakteristikama njihovih sastavnih tvari, odnosno strukturom. drugi ćete čak čuti disanje susjeda iz stana nasuprot. U čemu je tajna? Samo u sposobnosti graditelja da raspolaže osiguranim sredstvima.

Trenutno su znanstvenici za materijale već stvorili dosta struktura čija se svojstva ne nalaze u prirodi, iako ne izlaze iz okvira fizikalnih zakona. Na primjer, jedan od stvorenih metamaterijala može tako dobro kontrolirati zvučne valove da drže malu lopticu u zraku. Sastoji se od dvije rešetke sastavljene od opeka ispunjenih termoplastičnim šipkama, koje su postavljene u "zmiju". Zvučni val je fokusiran poput svjetlosti u leći, a istraživači vjeruju da će im ovaj uređaj omogućiti da razviju kontrolu zvuka do sposobnosti da mijenjaju njegov smjer, kao što sada mijenjaju smjer svjetlosnog snopa pomoću optike.

Drugi metamaterijal se može preurediti. Od njega se sastavlja predmet bez pomoći ruku, jer se promjena oblika može programirati! Struktura takvog "pametnog" materijala sastoji se od kockica od kojih je svaka stijenka sastavljena od dva vanjska sloja polietilen tereftalata i jednog unutarnjeg sloja dvostrano ljepljive trake. Ovaj dizajn omogućuje promjenu oblika, volumena, pa čak i krutosti objekta.

Ali najčudesnija svojstva su optički metamaterijali koji mogu promijeniti vizualnu percepciju stvarnosti. Oni "rade" u rasponu valnih duljina koje vidi ljudsko oko. Upravo od takvih materijala znanstvenici su stvorili tkaninu od koje se može izraditi nevidljivi plašt.

Istina, zasad se samo mikroobjekt može učiniti nevidljivim u optičkom rasponu.

Mogućnost stvaranja materijala s negativnim lomnim kutom predvidio je još 1967. godine sovjetski fizičar Viktor Veselago, no tek sada se pojavljuju prvi uzorci stvarnih struktura s takvim svojstvima. Zbog negativnog kuta loma, zrake svjetlosti savijaju se oko objekta, čineći ga nevidljivim. Dakle, promatrač primjećuje samo ono što se događa iza leđa onoga tko je ogrnuo „divni“ plašt.

Najnovije postignuće u stvaranju optičkih metamaterijala pripada ruskim znanstvenicima iz NUST MISIS. Štoviše, "sastojci" su korišteni najčešći - zrak, staklo i voda. Rad znanstvenika nagrađen je objavom u jednom od najcjenjenijih svjetskih časopisa Scientific Reports izdavačka kuća priroda. , svaki takav uzorak može stajati tisuće eura,” rekao je Aleksey Basharin, istraživač u Laboratoriju za supravodljive metamaterijale NUST MISiS-a, kandidat tehničkih znanosti. — Osim toga, vjerojatnost pogreške u formiranju takvog sustava vrlo je velika čak i uz korištenje najpreciznijih alata. Međutim, ako se stvara materijal većeg obima, u kojem neće biti optičkih (400 -700 nm), ali radiovalovi (dugi 7-8 cm), fizika procesa takvog skaliranja neće se promijeniti, ali će tehnologija za njihovo stvaranje postati lakša.

Proučavajući svojstva stvorenih struktura, autori rada pokazali su da ova vrsta tvari ima nekoliko praktičnih primjena odjednom. Prije svega, to su senzori složenih molekula, budući da potonji, padajući u polje metamaterijala, počinju svijetliti se. Na taj se način mogu odrediti čak i pojedinačne molekule, što potencijalno može značajno utjecati na razvoj, primjerice, forenzičke kriminalistike. Osim toga, takav metamaterijal može se koristiti kao svjetlosni filtar, odvajajući svjetlost određene duljine od upadnog zračenja. Također se može koristiti kao osnova za stvaranje ultra-pouzdane magnetske memorije, jer struktura stanica metamaterijala čini ne dopustiti im da se ponovno magnetiziraju i time izgube informacije.

Izrađen od metamaterijala s nevjerojatnim optičkim svojstvima, superlen može proizvesti slike s detaljima manjim od valne duljine korištenog svjetla.

Prije gotovo 40 godina sovjetski znanstvenik Viktor Veselago iznio je hipotezu o postojanju materijala s negativnim indeksom loma (UFN, 1967., sv. 92, str. 517). Svjetlosni valovi u njima moraju se kretati suprotno od smjera širenja zrake i općenito se ponašati nevjerojatno, dok leće izrađene od ovih materijala moraju imati čarobna svojstva i nenadmašne karakteristike. No, sve poznate tvari imaju pozitivan indeks loma: tijekom nekoliko godina intenzivnih potraga, Veselago nije pronašao niti jedan materijal s odgovarajućim elektromagnetskim svojstvima, a njegova hipoteza je zaboravljena. Sjetili su se tek početkom 21. stoljeća. (cm.:).

Zahvaljujući nedavnom napretku u znanosti o materijalima, Veselagova ideja je ponovno oživljena. Elektromagnetska svojstva tvari određena su karakteristikama atoma i molekula koje ih tvore, a koje imaju prilično uzak raspon karakteristika. Stoga svojstva milijuna nama poznatih materijala nisu toliko raznolika. Međutim, sredinom 1990-ih znanstvenici iz Centra za tehnologiju materijala. Marconi u Engleskoj počeo je stvarati metamaterijale koji se sastoje od makroskopskih elemenata i raspršuju elektromagnetske valove na potpuno drugačiji način od bilo koje poznate tvari.

David Smith je 2000. godine, zajedno s kolegama s Kalifornijskog sveučilišta u San Diegu, proizveo metamaterijal s negativnim indeksom loma. Pokazalo se da je ponašanje svjetlosti u njemu toliko čudno da su teoretičari morali ponovno pisati knjige o elektromagnetskim svojstvima tvari. Eksperimentalisti već razvijaju tehnologije koje iskorištavaju nevjerojatna svojstva metamaterijala i stvaraju superleće koje mogu uhvatiti slike s detaljima manjim od valne duljine korištenog svjetla. Uz njihovu pomoć bilo bi moguće izraditi mikrosklopove s nanoskopskim elementima i snimiti ogromne količine informacija na optičke diskove.

Negativna refrakcija

Da bismo razumjeli kako dolazi do negativne refrakcije, razmotrimo mehanizam interakcije elektromagnetskog zračenja s materijom. Elektromagnetski val koji prolazi kroz njega (na primjer, zraka svjetlosti) uzrokuje pomicanje elektrona atoma ili molekula. Time se troši dio energije vala, što utječe na njegova svojstva i prirodu širenja. Za dobivanje potrebnih elektromagnetskih karakteristika, istraživači odabiru kemijski sastav materijala.

No, kao što pokazuje primjer metamaterijala, kemija nije jedini način da se dobiju zanimljiva svojstva materije. Elektromagnetski odgovor materijala može se "dizajnirati" stvaranjem sićušnih makroskopskih struktura. Činjenica je da je obično duljina elektromagnetskog vala nekoliko redova veličine veća od veličine atoma ili molekula. Val "vidi" ne jednu molekulu ili atom, već kolektivnu reakciju milijuna čestica. To vrijedi i za metamaterijale, čiji su elementi također puno manji od valne duljine.

Polje elektromagnetskih valova, kako proizlazi iz njihovog naziva, ima električnu i magnetsku komponentu. Elektroni u materijalu se kreću naprijed-natrag pod utjecajem električnog polja i kružno pod utjecajem magnetskog polja. Stupanj međudjelovanja određen je dvjema karakteristikama tvari: permitivnošću ε i magnetska permeabilnost μ . Prvi pokazuje stupanj reakcije elektrona na električno polje, drugi - stupanj reakcije na magnetsko. Velika većina materijala ε i μ Iznad nule.

Optička svojstva tvari karakterizirana su indeksom loma n, koji je povezan sa ε i μ jednostavan omjer: n = ± √(ε∙μ). Za sve poznate materijale kvadratnom korijenu mora prethoditi znak "+", pa je stoga njihov indeks loma pozitivan. Međutim, 1968. Veselago je pokazao da tvar s negativnim ε i μ indeks loma n mora biti manji od nule. Negativan ε ili μ dobivaju se kada se elektroni u materijalu kreću u suprotnom smjeru od sila koje stvaraju električno i magnetsko polje. Iako se ovo ponašanje čini paradoksalnim, natjerati elektrone da se kreću protiv sila električnog i magnetskog polja nije tako teško.

Gurnete li visak rukom, ono će se poslušno pomaknuti u smjeru guranja i početi oscilirati s takozvanom rezonantnom frekvencijom. Guranjem njihala u ritmu njihanja možete povećati amplitudu osciliranja. Ako ga gurnete s višom frekvencijom, tada se udari više neće podudarati s oscilacijama u fazi, au nekom trenutku kazaljka će biti pogođena viskom koji se kreće prema njemu. Slično, elektroni u materijalu s negativnim indeksom loma ulaze u protufazu i počinju se opirati "udarcima" elektromagnetskog polja.

Metamaterijali

Slobodni elektroni u takvim krugovima titraju s rezonantnom frekvencijom ovisno o obliku i veličini vodiča. Ako se primijeni polje s frekvencijom ispod rezonantne frekvencije, primijetit će se normalan pozitivan odgovor. Međutim, kako frekvencija raste, odziv postaje negativan, baš kao u slučaju da se njihalo kreće prema vama, ako ga gurate s frekvencijom iznad rezonantne. Dakle, vodiči u određenom frekvencijskom području mogu negativno reagirati na električno polje kao medij ε , a podijeljeni prstenovi mogu oponašati materijal s negativom μ . Ovi vodiči i izrezani prstenovi građevni su blokovi potrebni za stvaranje širokog spektra metamaterijala, uključujući i one koje je Veselago tražio.

Prva eksperimentalna potvrda mogućnosti stvaranja materijala s negativnim indeksom loma dobivena je 2000. godine na Kalifornijskom sveučilištu u San Diegu ( UCSD). Budući da elementarne cigle metamaterijala moraju biti mnogo manje od valne duljine, istraživači su radili sa zračenjem u centimetarskom rasponu i koristili elemente veličine nekoliko milimetara.

Kalifornijski znanstvenici dizajnirali su metamaterijal koji se sastoji od izmjeničnih vodiča i RRC-a sastavljenih u obliku prizme. Dirigenti su dali negativan ε , i prstenje s rezovima - negativ μ . Rezultat je trebao biti negativan indeks loma. Za usporedbu, od teflona je izrađena prizma potpuno istog oblika u kojoj n= 1,4. Istraživači su usmjerili snop mikrovalnog zračenja na rub prizme i izmjerili intenzitet valova koji iz nje izlaze pod različitim kutovima. Kao što je i očekivano, zraka je doživjela pozitivan lom na teflonskoj prizmi i negativan lom na metamaterijalnoj prizmi. Veselagova pretpostavka postala je stvarnost: konačno je dobiven materijal s negativnim indeksom loma. Ili ne?

Poželjno ili stvarno?

Eksperimenti u UCSD zajedno s izvanrednim novim predviđanjima koja su fizičari davali o svojstvima materijala s negativnim indeksom loma, izazvala je val interesa među drugim istraživačima. Kada je Veselago izrazio svoju hipotezu, još nije bilo metamaterijala, a stručnjaci nisu počeli pažljivo proučavati fenomen negativne refrakcije. Sada su joj počeli posvećivati mnogo više pažnje. Skeptici su pitali krše li materijali s negativnim indeksom loma temeljne zakone fizike. Kad bi se to pokazalo, onda bi cijeli istraživački program bio doveden u pitanje.

Najžešću raspravu vodilo se pitanje brzine vala u složenom materijalu. Svjetlost putuje u vakuumu najvećom brzinom. c= 300 tisuća km/s. Brzina svjetlosti u materijalu manja je od: v =c/n. Ali što se događa ako n negativan? Jednostavna interpretacija formule za brzinu svjetlosti pokazuje da se svjetlost širi u suprotnom smjeru.

Potpuniji odgovor uzima u obzir da val ima dvije brzine: faznu i grupnu. Da biste razumjeli njihovo značenje, zamislite puls svjetlosti koji se kreće kroz medij. To će izgledati otprilike ovako: amplituda vala raste do maksimuma u središtu pulsa, a zatim ponovno pada. Fazna brzina je brzina pojedinačnih praska, a grupna brzina je brzina kojom se kreće ovojnica impulsa. Ne moraju biti isti.

Veselago je otkrio da u materijalu s negativnim indeksom loma grupna i fazna brzina imaju suprotne smjerove: pojedini maksimumi i minimumi pomiču se unatrag, dok se cjelokupni moment kreće prema naprijed. Zanimljivo je razmotriti kako će se ponašati kontinuirani snop svjetlosti iz izvora (primjerice, reflektora) uronjen u materijal s negativnim indeksom loma. Kad bi bilo moguće promatrati pojedinačne oscilacije svjetlosnog vala, tada bismo vidjeli da se pojavljuju na objektu osvijetljenom snopom, pomiču se unatrag i na kraju nestaju u svjetlu reflektora. Međutim, energija svjetlosne zrake kreće se naprijed, udaljavajući se od izvora svjetlosti. Upravo u tom smjeru zraka se zapravo širi, unatoč nevjerojatnom kretanju unatrag njegovih pojedinačnih oscilacija.

U praksi je teško promatrati pojedinačne oscilacije svjetlosnog vala, a oblik pulsa može biti vrlo složen, pa se fizičari često služe lukavim trikom kako bi pokazali razliku između fazne i grupne brzine. Kada se dva vala neznatno različitih valnih duljina kreću u istom smjeru, oni interferiraju i javlja se uzorak otkucaja, čiji se maksimumi kreću grupnom brzinom.

Primjenom ove tehnike u eksperimentu UCSD o refrakciji 2002. Prashant M. Valanju i njegovi kolege sa Sveučilišta Texas u Austinu uočili su nešto zanimljivo. Lomljeni na granici između medija s negativnim i pozitivnim indeksom loma, dva vala različitih duljina odstupaju pod neznatno različitim kutovima. Dobiven je uzorak otkucaja ne onakav kakav bi trebao biti za zrake s negativnim lomom, već kakav bi trebao biti s pozitivnim lomom. Uspoređujući uzorak otkucaja s grupnom brzinom, istraživači iz Teksasa zaključili su da svaki fizički izvediv val mora imati pozitivno lomljenje. Iako materijal s negativnim indeksom loma može postojati, negativan indeks loma se ne može postići.

Kako onda objasniti rezultate pokusa u UCSD? Walange i mnogi drugi istraživači pripisali su opaženu negativnu refrakciju drugim fenomenima. Možda je uzorak apsorbirao toliko energije da su valovi izlazili samo iz uske strane prizme, simulirajući negativan lom? Uostalom, metamaterijal UCSD doista jako apsorbira zračenje, a mjerenja su provedena u blizini prizme. Stoga hipoteza o apsorpciji izgleda prilično uvjerljiva.

Nalazi su izazvali veliku zabrinutost: mogli bi poništiti ne samo eksperimente UCSD, ali i cijeli niz pojava koje je Veselago predvidio. Međutim, nakon malo razmišljanja, shvatili smo da je nemoguće osloniti se na uzorak otkucaja kao pokazatelj grupne brzine: za dva vala koja se kreću u različitim smjerovima, uzorak interferencije ni na koji način nije povezan s grupnom brzinom.

Kako su se argumenti kritičara počeli rušiti, pojavila se još jedna eksperimentalna potvrda negativnog loma. Grupa Minas Tanielian ( Minas Tanielian) iz tvrtke Boeing Phantom Works u Seattleu ponovio eksperiment UCSD s metamaterijalnom prizmom vrlo niske apsorpcije. Osim toga, senzor je postavljen puno dalje od prizme kako se apsorpcija u metamaterijalu ne bi mogla zamijeniti s negativnim lomom zrake. Najviša kvaliteta novih podataka prekinula je sumnje u postojanje negativne refrakcije.

Nastavit će se

Kako se dim bitke razišao, počeli smo shvaćati da prekrasna priča koju je Veselago ispričao nije posljednja riječ o materijalima s negativnim indeksom. Sovjetski znanstvenik koristio je metodu geometrijske konstrukcije svjetlosnih zraka, uzimajući u obzir refleksiju i lom na granicama različitih materijala. Ova moćna tehnika pomaže nam razumjeti, na primjer, zašto se objekti u bazenu čine bliže površini nego što stvarno jesu i zašto se čini da je olovka napola uronjena u tekućinu savijena. Stvar je u tome što je indeks loma vode ( n\u003d 1,3) veći je od zraka, a zrake svjetlosti na granici između zraka i vode se lome. Indeks loma približno je jednak omjeru stvarne i prividne dubine.

Veselago je koristio praćenje zraka kako bi predvidio snop materijala s negativnim indeksom loma n= −1 treba djelovati kao leća s jedinstvenim svojstvima. Većina nas je upoznata s lećama izrađenim od materijala s pozitivnim lomom - u fotoaparatima, povećalima, mikroskopima i teleskopima. Imaju žarišnu duljinu, a gdje se slika formira ovisi o kombinaciji žarišne duljine i udaljenosti između objekta i leće. Slike se obično razlikuju po veličini od objekta, a leće najbolje funkcioniraju za objekte koji leže na osi kroz leću. Veselago leća radi potpuno drugačije od uobičajenih: njen rad je puno jednostavniji, djeluje samo na objekte koji se nalaze u njenoj blizini, te prenosi cjelokupno optičko polje s jedne strane leće na drugu.

Objektiv Veselago toliko je neobičan da John Pendry ( John B. Pendry) morao se zapitati: koliko savršeno može funkcionirati? I konkretno, koja je maksimalna rezolucija Veselago objektiva? Optički elementi s pozitivnim indeksom loma ograničeni su granicom ogiba - mogu razlučiti detalje koji su jednaki ili veći od valne duljine svjetlosti reflektirane od objekta. Difrakcija nameće konačno ograničenje svim sustavima snimanja, poput najmanjeg objekta koji se može vidjeti kroz mikroskop ili najmanje udaljenosti između dvije zvijezde koju teleskop može razlučiti. Difrakcijom se određuje i najmanji detalj koji se može stvoriti u procesu optičke litografije u proizvodnji mikročipova (čipova). Slično tome, difrakcija ograničava količinu informacija koje se mogu pohraniti ili pročitati na optičkom digitalnom video disku (DVD). Način da se zaobiđe granica difrakcije mogao bi drastično promijeniti tehnologiju, dopuštajući optičkoj litografiji da se probije u raspon nanorazmjera i moguće stotinama puta poveća količinu podataka pohranjenih na optičkim diskovima.

Kako bismo utvrdili može li optika s negativnim lomom zapravo nadmašiti običnu ("pozitivnu") optiku, moramo ići dalje od pukog promatranja putanje zraka. Prvi pristup zanemaruje difrakciju i stoga se ne može koristiti za predviđanje rezolucije leća s negativnim lomom. Da bismo uključili difrakciju, morali smo upotrijebiti precizniji opis elektromagnetskog polja.

super objektiv

Preciznije, elektromagnetski valovi iz bilo kojeg izvora - atomi koji zrače, radio antene ili snop svjetlosti - nakon što prođu kroz malu rupu, stvaraju dvije različite vrste polja: daleko polje i blisko polje. Daleko polje, kao što mu ime kaže, promatra se daleko od objekta i hvata ga leća, tvoreći sliku objekta. Nažalost, ova slika sadrži samo grubu sliku objekta, u kojoj difrakcija ograničava razlučivost na veličinu valne duljine. Blisko polje sadrži sve fine detalje objekta, ali njegov intenzitet brzo opada s udaljenošću. Leće s pozitivnim lomom ne daju nikakvu mogućnost presretanja iznimno slabog bliskog polja i prijenosa njegovih podataka u sliku. Međutim, to nije slučaj za leće s negativnim lomom.

Nakon što je detaljno istražio kako bliska i daleka polja izvora djeluju u interakciji s Veselagovom lećom, Pendry je 2000. na opće iznenađenje zaključio da leća u načelu može fokusirati i bliža i daleka polja. Kad bi se ovo zapanjujuće predviđanje pokazalo točnim, to bi značilo da Veselagova leća, za razliku od svih drugih poznatih optika, ne poštuje granicu ogiba. Stoga je ravna struktura s negativnim lomom nazvana superleća.

U analizi koja je uslijedila, mi i drugi smo otkrili da je razlučivost superleće ograničena kvalitetom njezinog negativnog lomnog materijala. Za najbolju izvedbu potreban je ne samo indeks loma n biti jednak −1, ali također da su i ε i μ jednaki −1. Objektiv koji ne zadovoljava te uvjete ima oštro smanjenu rezoluciju. Istovremeno ispunjavanje ovih uvjeta vrlo je ozbiljan zahtjev. Ali 2004. Anthony Grbic ( Anthony Grbić) i George Eleftheriades ( George V. Eleftheriades) sa Sveučilišta u Torontu eksperimentalno su pokazali da metamaterijal konstruiran da ima ε = −1 i μ = −1 u radiofrekvencijskom rasponu doista može razlučiti objekte na skali manjoj od granice difrakcije. Njihov je rezultat dokazao da se superleća može izgraditi, no može li se izgraditi za još kraće, optičke valne duljine?

Složenost skaliranja metamaterijala na područje optičkih valnih duljina ima dvije strane. Prije svega, metalne vodljive elemente koji tvore čipove metamaterijala, kao što su vodiči i razdvojeni prstenovi, potrebno je svesti na nanometarsku ljestvicu tako da budu manji od valne duljine vidljive svjetlosti (400-700 nm). Drugo, kratke valne duljine odgovaraju višim frekvencijama, a metali na takvim frekvencijama imaju lošiju vodljivost, čime se potiskuju rezonancije na kojima se temelje svojstva metamaterijala. Godine 2005. Kostas Soukolis ( Costas Soukoulis) sa Sveučilišta Iowa State i Martin Wegener ( Martin Wegener) sa Sveučilišta Karlsruhe u Njemačkoj eksperimentalno su pokazali da je moguće izraditi rezane prstene koji rade na valnim duljinama od samo 1,5 µm. Unatoč činjenici da na tako kratkim valnim duljinama rezonancija na magnetskoj komponenti polja postaje vrlo slaba, zanimljivi metamaterijali još uvijek se mogu formirati s takvim elementima.

Ali još nismo u mogućnosti proizvesti materijal koji, na valnim duljinama vidljive svjetlosti, daje μ = −1. Srećom, kompromis je moguć. Kada je udaljenost između objekta i slike mnogo manja od valne duljine, mora biti zadovoljen samo uvjet ε = −1, a vrijednost μ se može zanemariti. Još prošle godine bend Richarda Blakeya ( Richard Blaikie) sa Sveučilišta Canterbury na Novom Zelandu i grupe Xiang Jang ( Xiang Zhang) s Kalifornijskog sveučilišta u Berkeleyju, slijedeći ove smjernice, neovisno je pokazao super-rezoluciju u optičkom sustavu. Na optičkim valnim duljinama, vlastite rezonancije metala mogu dovesti do negativne dielektrične konstante (ε). Stoga, vrlo tanak sloj metala na valnoj duljini gdje je ε = −1 može djelovati kao superleća. I Blakey i Jung koristili su sloj srebra debljine oko 40 nm kako bi prikazali zrake svjetlosti od 365 nm koje emitiraju formirane rupe manje od valne duljine svjetlosti. I premda je srebrni film daleko od savršene leće, srebrna superleća značajno je poboljšala rezoluciju slike, dokazujući ispravnost osnovnog principa superleće.

Pogled u budućnost

Demonstracija superleće samo je posljednja od mnogih predviđanja materijala s negativnim lomom koja tek treba biti ostvarena, znak brzog napretka u ovom sve širem području. Mogućnost negativnog loma natjerala je fizičare da preispitaju gotovo cijelo područje elektromagnetizma. A kada se ovaj krug ideja u potpunosti shvati, morat će se ponovno razmotriti osnovni optički fenomeni, poput loma i difrakcijske granice razlučivosti, uzimajući u obzir nove neočekivane obrate povezane s materijalima koji daju negativan lom.

Čaroliju metamaterijala i čaroliju negativne refrakcije tek treba "pretočiti" u primijenjenu tehnologiju. Takav bi potez zahtijevao poboljšanje dizajna metamaterijala i njihovu proizvodnju po razumnoj cijeni. Sada postoje mnoge istraživačke skupine aktivne u ovom području, koje snažno razvijaju načine rješavanja problema.

Teorija i praksa Viktora Veselaga

Sudbina Viktora Georgijeviča Veselaga, doktora fizičko-matematičkih znanosti, zaposlenika Instituta za opću fiziku i profesora Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju, poigrala se zanimljivo s njim. Cijeli život posvetivši praksi i eksperimentu, dobio je međunarodno priznanje za teoretsko predviđanje jednog od najzanimljivijih fenomena elektrodinamike.

kobna nesreća

Victor Georgievich Veselago rođen je 13. lipnja 1929. u Ukrajini i, prema njegovim riječima, do određenog trenutka nije bio zainteresiran za fiziku. A onda se dogodila jedna od onih sudbonosnih nesreća koje mijenjaju ne samo smjer čovjekova života, nego, u konačnici, vektor razvoja znanosti. U sedmom razredu dječak se razbolio i, da bi mu prekratilo vrijeme, počeo je čitati sve knjige redom. Među njima je i "Što je radio?" Kina, nakon što je pročitao, student je bio ozbiljno povučen radiotehnikom. Na kraju desetog razreda, kada se postavilo pitanje izbora sveučilišta, jedan moj prijatelj spomenuo je da se na Moskovskom sveučilištu otvara novi odjel za fiziku i tehnologiju, gdje je, uz druge specijalnosti, postojala i radiofizika.

Pristupnici Fizičko-tehnološkog fakulteta Moskovskog državnog sveučilišta morali su položiti "maraton" od devet ispita. Na prvoj od njih – pismenoj matematici – Veselago je dobio “dvojku”... Danas takvu “neugodnost” objašnjava jednostavnom nedostatkom, našao se u ogromnoj publici, gdje se osjećao kao zrno pijeska u doslovnom smislu riječi. Sutradan, kada je došao po svoje radove, prodekan Boris Osipovič Solonouts (kojeg su iza leđa zvali jednostavno BOS) savjetovao mu je da ipak dođe na sljedeći ispit. Budući da nije imao što izgubiti, mladić je upravo to i učinio. Svih ostalih osam ispita položio sam s pet i primljen sam. Kasnije, mnogo godina kasnije, pokazalo se da je takvih "gubitnika" bilo jako puno, a dekanat je odlučio da pristupnike neće iscijediti na temelju rezultata prvog ispita.

Zatim su bile četiri godine studija, koje Viktor Georgijevič sada naziva najsretnijim vremenom u svom životu. Studentima su predavanja držali velikani kao što su Pjotr Leonidovič Kapica, Lev Davidovič Landau... Viktor Veselago je ljetnu praksu proveo u radioastronomskoj stanici na Krimu, gdje je upoznao njenog voditelja, člana FIAN-a, profesora Semjona Emanuiloviča Haikina. . Ispostavilo se da je upravo on napisao knjigu “Što je radio?”, potpisujući se pseudonimom Keane.

Godine 1951. zatvoren je Fizičko-tehnički fakultet Moskovskog državnog sveučilišta – „prerastao“ je u Moskovski fiziko-tehnološki institut, a studenti bivšeg FTF-a raspoređeni su na druge fakultete. Viktor Georgijevič završio je na Fizičkom fakultetu Moskovskog državnog sveučilišta i formalno ga je diplomirao, ali sebe smatra diplomantom Fizičko-tehničkog instituta. Veselago je obranio svoju tezu pod vodstvom Aleksandra Mihajloviča Prohorova na Fizičkom institutu. P.N.Lebedeva, gdje je kasnije nastavio raditi pod njegovim vodstvom. Prvo u FIAN-u, a od 1982. do danas u Institutu za opću fiziku (IOFAN, koji danas nosi ime A.M. Prohorova), koji se iz njega izdvojio.

Konstrukcija "Solenoida"

Za dobivanje superjakih magnetskih polja 1960-ih FIAN je gradio instalaciju pod nazivom Solenoid. GIPRONII je bio angažiran u projektiranju, ali Viktor Georgievich je sam razvio glavne elemente projekta. Jedno od svojih najvažnijih postignuća, uz znanstvena, i dalje smatra rampom koja mu omogućuje dovoz kolica s teškom opremom na prvi kat. Godine 1974., zajedno s nizom zaposlenika Fizičkog instituta Lebedev i drugih znanstvenih organizacija, Veselago je dobio Državnu nagradu za stvaranje instalacije za dobivanje jakih magnetskih polja.

Lijevo i desno

U 1960-ima, Viktor Georgievich se zainteresirao za materijale koji su i poluvodiči i feromagneti. Godine 1967. u časopisu Uspekhi fizicheskih nauk (UFN) objavio je članak pod naslovom "Elektrodinamika tvari s istodobno negativnim vrijednostima ε i μ", gdje je prvi put uveden pojam "tvari s negativnim indeksom loma n" i opisana su njihova moguća svojstva.

Kako je objasnio znanstvenik, svojstva poluvodiča opisuju se pomoću vrijednosti epsilon (ε) - dielektrične permitivnosti, a magnetska svojstva kroz vrijednost mu (μ) - magnetske permeabilnosti. Te su količine obično pozitivne, iako su poznate tvari kod kojih je ε negativan, a μ pozitivan, ili obrnuto. Veselago se pitao: što bi se dogodilo da su obje vrijednosti negativne? S matematičkog gledišta to je moguće, ali s fizikalnog? Victor Georgievich je pokazao da takvo stanje nije u suprotnosti sa zakonima prirode, ali se elektrodinamika takvih materijala značajno razlikuje od onih gdje je i istovremeno veće od nule. Prije svega činjenicom da su u njima fazne i grupne brzine elektromagnetskih oscilacija usmjerene u različitim smjerovima (u običnom mediju - u jednom smjeru).

Materijale s negativnim indeksom loma Veselago naziva "lijevo", a s pozitivnim - odnosno "desno", na temelju relativnog položaja tri vektora koji karakteriziraju širenje elektromagnetskih oscilacija. Lom na granici dvaju takvih medija zrcali se u odnosu na os z.

Nakon što je teoretski potkrijepio svoje ideje, Viktor Georgijevič ih je pokušao provesti u praksi, posebno u magnetskim poluvodičima. Međutim, nije bilo moguće nabaviti željeni materijal. I tek 2000. godine skupina znanstvenika sa Sveučilišta California u San Diegu u SAD-u, koristeći kompozitni medij, dokazala je da je negativna refrakcija moguća. Istraživanje Victora Veselaga ne samo da je postavilo temelje novom znanstvenom smjeru (vidi: D. Pandry, D. Smith. U potrazi za superlećom), već je omogućilo i doradu nekih fizikalnih formula koje opisuju elektrodinamiku tvari. Činjenica je da su brojne formule dane u udžbenicima primjenjive samo u takozvanoj nemagnetskoj aproksimaciji, odnosno kada je magnetska permeabilnost jednaka jedinici, odnosno za poseban slučaj nemagnetskih materijala. Ali za tvari čija je magnetska propusnost različita od jedinice ili negativna, potrebni su drugi, općenitiji izrazi. Ukazivanje na ovu okolnost Veselago također smatra važnim rezultatom svoga rada.

Zakoračite u budućnost

Nakon proročanskog članka, istraživač, vjeran principu mijenjanja tema svakih 5-6 godina, zainteresirao se za nova područja: magnetske tekućine, fotomagnetizam, supravodljivost.

U cjelini, prema njegovim sjećanjima, za vrijeme rada na FIAN-IOFAN-u prošao je standardni put "sovjetskog znanstvenika" - od postdiplomca do doktora znanosti, voditelja odjela za jaka magnetska polja, koja je do kraja 1980-ih uključivala oko 70 ljudi koji su radili u 5-7 različitih smjerova. Zavod je zapravo bio mali institut u institutu, na kojemu je u tom razdoblju diplomiralo više od 30 doktora znanosti.

Sada je Viktor Georgievich zadužen za Laboratorij za magnetske materijale Odjela za jaka magnetska polja IOFAN-a. A. M. Prohorova. Godine 2004. dobio je nagradu nazvanu po akademiku V.A. Fock.

Viktor Georgijevič predaje na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju više od 40 godina. Sada je profesor na Zavodu za primijenjenu fiziku Fakulteta fizičke i energetske problematike, predaje kolegij Osnove fizike oscilacija čiji je autor, a također vodi seminare i laboratorijske nastave na Zavodu za opće znanosti. Fizika.

VG Veselago pripada rijetkoj vrsti znanstvenika koji se odlikuju širokim spektrom znanstvenih interesa. Vrsni je teoretičar, au isto vrijeme i eksperimentalni fizičar, inženjer, projektant instalacija s jakim magnetskim poljima. Talentiran je i kao profesor koji je dao veliki doprinos nastavi opće fizike na Moskovskom institutu za fiziku i tehnologiju i odgojio mnoge studente. Upravo te osobine znanstvenika čine osobnost Viktora Georgijeviča tako privlačnom.

Invazija na World Wide Web

U posljednjih 15 godina fizičar je ponovno promijenio, bolje rečeno, proširio krug svojih interesa, postavši pokretač dvaju mrežnih projekata.

Godine 1993. organiziran je servis Infomag koji među znanstvenicima distribuira sadržaje znanstvenih i tehničkih časopisa i inozemnih znanstvenih elektroničkih biltena. Sve je počelo s činjenicom da je IOFAN među prvima spojen na internet. Sa svojom prvom e-mail adresom, Veselago se zainteresirao za fizičke telekonferencije i počeo primati newsletter. Ažuriranje vijesti iz fizike koje je proslijedio svojim kolegama. Zatim je organizirao slanje sadržaja drugih znanstvenih časopisa. Prve publikacije koje su informirale servis Infomag bile su Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETF), Letters to the JETF te Instruments and Experimental Techniques. Sada popis uključuje više od 150 naslova.

Uspjeh "Infomaga" pridonio je stvaranju druge "zamove" Veselaga - prvog u Rusiji višepredmetnog elektroničkog znanstvenog časopisa "Istraživano u Rusiji", koji je započeo svoje postojanje 1998. godine. Izlazi samo u elektroničkom obliku, a godišnje objavljuje oko 250 članaka, kako iz prirodnih tako i iz humanističkih znanosti.

Prema Viktoru Georgijeviču, potreba za elektroničkim znanstvenim publikacijama u Rusiji je vrlo velika, i to ne samo kao samostalne jedinice, već i unutar mrežnih verzija tiskanih publikacija. U Rusiji se izdaje nekoliko stotina akademskih znanstvenih i tehničkih časopisa, ali velika većina njih nije dostupna u elektroničkom obliku, pa domaći stručnjaci nemaju brz pristup rezultatima rada svojih kolega, što otežava plodonosan i brz dijalog između znanstvenika.

Metamaterijali.

Kao što je gore spomenuto, oštra prekretnica dogodila se početkom 21. stoljeća, kada je rad Davida Smitha sa Kalifornijskog sveučilišta u San Diegu izvijestio o stvaranju kompozitnog materijala koji se može karakterizirati negativnim vrijednostima i, i , dakle, negativna vrijednost . Taj se materijal sastojao od mnogo bakrenih šipki i prstenova (sl. 4, sl. 5), poredanih u strogom geometrijskom redu. Šipke su u biti bile antene koje su reagirale na električno polje, a prstenovi su bili antene koje su reagirale na magnetsko polje. Dimenzije ovih elemenata i razmak između njih bili su manji od valne duljine, a cijeli sustav u cjelini imao je negativne efektivne vrijednosti i .

Riža. 4. Grupa metamaterijala iz San Diega 2000

Riža. 5. Grupa metamaterijala iz San Diega 2001

U radu je prikazan rezultat izravnog mjerenja kuta loma za prizmu (sl. 6) pripremljenu od ovog kompozita, a ovaj pokus pokazao je punu valjanost relacije (2) za ovaj materijal za negativ.

Riža. 6. Eksperimentalna postavka

Kažemo metamaterijal, ali ipak što je to. Metamaterijali su kompozitni materijali čija svojstva nisu određena toliko pojedinačnim fizičkim svojstvima njihovih komponenti koliko njihovom mikrostrukturom. Pojam "metamaterijali" posebno se često koristi u odnosu na one kompozite koji pokazuju svojstva koja nisu karakteristična za objekte koji se nalaze u prirodi.

super objektivi

Veselago je koristio praćenje zraka kako bi predvidio da bi šipka od materijala s negativnim indeksom trebala djelovati kao leća s jedinstvenim svojstvima. Većina nas je upoznata s lećama izrađenim od materijala s pozitivnim lomom - u kamerama, povećalima, mikroskopima i teleskopima. Imaju žarišnu duljinu, a gdje se slika formira ovisi o kombinaciji žarišne duljine i udaljenosti između objekta i leće. Slike se obično razlikuju po veličini od objekta, a leće najbolje funkcioniraju za objekte koji leže na osi kroz leću. Veselago leća radi potpuno drugačije od uobičajenih: njen rad je puno jednostavniji, djeluje samo na objekte koji se nalaze u njenoj blizini, te prenosi cjelokupno optičko polje s jedne strane leće na drugu.

Leća Veselago toliko je neobična da se čovjek morao zapitati: koliko savršeno može funkcionirati? I konkretno, koja je maksimalna rezolucija Veselago objektiva? Optički elementi s pozitivnim indeksom loma ograničeni su granicom ogiba - mogu razlučiti detalje koji su jednaki ili veći od valne duljine svjetlosti reflektirane od objekta.

Difrakcija nameće konačno ograničenje svim sustavima snimanja, poput najmanjeg objekta koji se može vidjeti kroz mikroskop ili najmanje udaljenosti između dvije zvijezde koju teleskop može razlučiti.

Difrakcijom se određuje i najmanji detalj koji se može stvoriti u procesu optičke litografije u proizvodnji mikročipova (čipova). Slično tome, difrakcija ograničava količinu informacija koje se mogu pohraniti ili pročitati na optičkom digitalnom video disku (DVD). Način da se zaobiđe granica difrakcije mogao bi drastično promijeniti tehnologiju, dopuštajući optičkoj litografiji da se probije u raspon nanorazmjera i moguće stotinama puta poveća količinu podataka pohranjenih na optičkim diskovima.

Dakle, katedrale superživotnih kristala
Savjestan svjetlosni pauk,
Rastvaranje na rebrima, opet oni
Skuplja se u jedan svežanj.
O. Mandeljštam

Zadatak za djecu "Što je teže, kilogram vate ili kilogram željeznih strugotina?" stavit će u poteškoće možda maloumnog učenika prvog razreda. Mnogo je zanimljivije spekulirati na temu: “Kakva će svojstva imati materijal koji dobijemo ako pažljivo pomiješamo fino mljevenu vatu i željezne strugotine?” Intuitivno, da bismo odgovorili na ovo pitanje, moramo se prisjetiti svojstava željeza i vune, nakon čega se s pouzdanjem može reći da će dobiveni materijal najvjerojatnije, na primjer, reagirati na prisutnost magneta i vode. Međutim, jesu li svojstva višefaznog materijala uvijek određena samo svojstvima njegovih sastavnih komponenti? Htio bih odgovoriti na ovo pitanje potvrdno, jer je teško zamisliti, recimo, mješavinu dielektrika (na primjer, piljevina i kuglice pjene) koja provodi električnu struju.

“Ovo se događa samo u bajkama!” - pokušat će se rehabilitirati prvašić, prisjećajući se brojnih čarobnjaka i čarobnica iz dječjih bajki, koji su miješajući sve vrste muhara, žabljih krakova i krila šišmiša dobivali čarobne prahove čija su čarobna svojstva, strogo govoreći, letjela. agarik i žablji kraci su neobični. Međutim, iznenađujuće, moderna znanost poznaje primjere kako vam kombinacija sasvim običnih materijala omogućuje stvaranje predmeta čija svojstva ne samo da nisu svojstvena korištenim komponentama, već se, u načelu, ne mogu naći u prirodi i, kako se može činiti na na prvi pogled, zabranjeni su zakonima fizike. "To je čudo!", reći će učenik prvog razreda. "Ne, ovo su metamaterijali!" - prigovorit će moderni znanstvenik. I oboje će biti u pravu na svoj način, jer sa stajališta klasične znanosti, metamaterijali su sposobni stvoriti prava čuda. Međutim, sam proces stvaranja metamaterijala također je poput magije, jer Nije dovoljno samo pomiješati komponente metamaterijala, oni moraju biti pravilno strukturirani.

Metamaterijali su kompozitni materijali čija svojstva nisu određena toliko pojedinačnim fizičkim svojstvima njihovih komponenti koliko njihovom mikrostrukturom. Pojam "metamaterijali" posebno se često koristi u odnosu na one kompozite koji pokazuju svojstva koja nisu karakteristična za objekte koji se nalaze u prirodi.

Jedna od vrsta metamaterijala o kojoj se u posljednje vrijeme najviše raspravlja su objekti s negativnim indeksom loma. Iz tečaja školske fizike dobro je poznato da je indeks loma medija ( n) je vrijednost koja pokazuje koliko je puta fazna brzina elektromagnetskog zračenja u mediju ( V) manja je od brzine svjetlosti u vakuumu ( c): n=c/V. Indeks loma vakuuma je 1 (što, zapravo, proizlazi iz definicije), dok je za većinu optičkih medija veći. Primjerice, obično silikatno staklo ima indeks loma 1,5, što znači da se svjetlost u njemu širi 1,5 puta manjom brzinom nego u vakuumu. Važno je napomenuti da, ovisno o valnoj duljini elektromagnetskog zračenja, vrijednost n može se razlikovati.

Najčešće se indeks loma materijala pamti kada se razmatra učinak loma svjetlosti na sučelju između dva optička medija. Ovaj fenomen opisuje Snellov zakon:

n 1 sinα = n 2 sinβ,

gdje je α upadni kut svjetlosti koja dolazi iz medija s indeksom loma n 1 , a β je kut loma svjetlosti u sredstvu s indeksom loma n 2 .

Za sve medije koji se mogu naći u prirodi, zrake upadne i lomljene svjetlosti su na suprotnim stranama normale vraćene na sučelje medija u točki loma (Sl. 1a). Međutim, ako formalno zamijenimo n 2 u Snellov zakon<0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

Na teoretsku mogućnost postojanja jedinstvenih materijala s negativnim indeksom loma ukazao je sovjetski fizičar V. Veselago prije gotovo 40 godina. Činjenica je da je indeks loma povezan s dvije druge temeljne karakteristike tvari, dielektričnom konstantom ε i magnetskom propusnošću μ, jednostavnim odnosom: n 2 = ε·μ. Unatoč činjenici da i pozitivne i negativne vrijednosti n zadovoljavaju ovu jednadžbu, znanstvenici su dugo odbijali vjerovati u fizičko značenje potonjeg - sve dok Veselago nije pokazao da n< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Prirodni materijali s negativnom dielektričnom konstantom dobro su poznati - to je bilo koji metal na frekvencijama iznad plazma frekvencije (pri kojoj metal postaje proziran). U ovom slučaju 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 .

Stoga su mogući sustavi s negativnim odgovorom i na električnu i na magnetsku komponentu elektromagnetskog zračenja. Godine 2000. američki istraživači predvođeni D. Smithom prvi su put uspjeli spojiti oba sustava u jednom materijalu. Stvoreni metamaterijal sastojao se od metalnih šipki odgovornih za ε< 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.

Sa stajališta fizike, metamaterijali s negativnim indeksom loma antipodi su konvencionalnih materijala. U slučaju negativnog indeksa loma, fazna brzina elektromagnetskog zračenja je obrnuta; Dopplerov pomak događa se u suprotnom smjeru; Čerenkovljevo zračenje iz pokretne nabijene čestice ne događa se naprijed, već unatrag; konvergentne leće postaju divergentne i obrnuto... A sve je to samo mali dio onih nevjerojatnih fenomena koji su mogući za metamaterijale s negativnim indeksom loma. Praktična uporaba takvih materijala prvenstveno je povezana s mogućnošću stvaranja terahercne optike na njihovoj osnovi, što će zauzvrat dovesti do razvoja meteorologije i oceanografije, pojave radara s novim svojstvima i alata za navigaciju u svim vremenskim uvjetima, uređaja za daljinsku dijagnostiku kvalitete dijelova i sigurnosnih sustava. , omogućujući otkrivanje oružja ispod odjeće, kao i jedinstvenih medicinskih uređaja.

Književnost

D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Kompozitni medij s istovremenom negativnom propusnošću i permitivnošću, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.