Salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materiallar. Metamateriallar: mavjud bo'lmagan xususiyatlarga ega materiyani qanday yaratish kerak Salbiy sindirish ko'rsatkichiga ega bo'lgan materiallar

Viktor Georgievich Veselago

Taxminan 40 yil oldin sovet olimi Viktor Veselago salbiy sinishi ko'rsatkichiga ega bo'lgan materiallar mavjudligini taxmin qildi:

Metamateriallar - bu kompozitsion materiallar bo'lib, ularning xususiyatlari individual emas jismoniy xususiyatlar ularning tarkibiy qismlari, qancha mikroyapı. "Metamateriallar" atamasi, ayniqsa, tabiatda topilgan ob'ektlarga xos bo'lmagan xususiyatlarni ko'rsatadigan kompozitsiyalarga nisbatan qo'llaniladi. .

To'lqin tenglamasi

Bir hil neytral o'tkazmaydigan muhit uchun Maksvell tenglamalaridan kelib chiqadiki, elektromagnit maydonlar faza tezligi bilan elektromagnit to'lqinlarning tarqalishi mumkin

Vakuumda bu tezlik yorug'lik tezligiga teng

Shunday qilib, faza tezligi tarqaldi uh. moddadagi to'lqinlar muhitning magnit va dielektrik o'tkazuvchanligi bilan belgilanadi.

Vakuumdagi yorug'lik tezligining|do|ga nisbati muhitdagi yorug'lik tezligi - n muhitning absolyut sindirish ko'rsatkichi deyiladi

Viktor Veselago quyidagi farazni ilgari surdi:

«Agar biz yo'qotishlarni hisobga olmasak va n, e va m ni haqiqiy sonlar deb hisoblamasak, e va m belgilarining bir vaqtning o'zida o'zgarishi nisbatga hech qanday ta'sir ko'rsatmasligi aniq. Bu holatni tushuntirish mumkin turli yo'llar bilan. Birinchidan, tan olishimiz mumkinki, moddalarning xossalari haqiqatan ham e va m belgilarining bir vaqtning o'zida o'zgarishiga bog'liq emas. Ikkinchidan, e va m ning bir vaqtning o'zida manfiyligi tabiatning har qanday asosiy qonunlariga va shuning uchun e ga ega bo'lgan moddalarga zid ekanligi aniqlanishi mumkin.< 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.»

"O'ng" va "chap" izotrop muhit

Tekis elektromagnit to'lqin bir jinsli neytral o'tkazmaydigan muhitda x o'qi yo'nalishi bo'yicha tarqalsin, uning to'lqin old qismi tarqalish yo'nalishiga perpendikulyar.

Vektorlar va to'lqin tarqalish yo'nalishi bilan o'ng qo'lli tizimni hosil qiladi; kosmosning qat'iy bir nuqtasida ular bir fazada garmonik qonunga muvofiq vaqt o'tishi bilan o'zgaradi.

Bunday muhitlar shunga ko'ra "o'ng qanot" deb ataladi.

e va m ikkala manfiy bo'lgan muhitlar "chap qo'l" deb ataladi.

Bunday muhitlarda elektr, magnit va to'lqin vektorlari chap tomonli vektorlar tizimini tashkil qiladi.

Haqiqatan ham, agar siz mayatnikni qo'lingiz bilan itarsangiz, u itoatkorlik bilan surish yo'nalishi bo'yicha harakat qiladi va rezonans chastotasi deb ataladigan tebranish bilan tebranishni boshlaydi. Mayatnikni belanchak bilan o'z vaqtida surish orqali siz tebranishlar amplitudasini oshirishingiz mumkin. Agar siz uni yuqori chastota bilan bossangiz, zarbalar endi fazadagi tebranishlarga to'g'ri kelmaydi va bir nuqtada qo'l unga qarab harakatlanadigan mayatnik bilan uriladi. Xuddi shunday, salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materialdagi elektronlar fazadan chiqib ketadi va elektromagnit maydonning "itarilishi" ga qarshilik ko'rsatishni boshlaydi.

Shunday qilib, 1968 yilda Veselago manfiy e va m bo'lgan moddaning sindirish ko'rsatkichi n 0 dan kichik bo'lishi kerakligini ko'rsatdi.

Eksperimental tasdiqlash.

Materialdagi elektronlar ta'sirida oldinga va orqaga harakat qiladi elektr maydoni va magnit ta'sirida aylanada. O'zaro ta'sir darajasi moddaning ikkita xususiyati bilan belgilanadi: dielektrik o'tkazuvchanligi e va magnit o'tkazuvchanligi m. Birinchisi elektronlarning elektr maydoniga reaktsiya darajasini, ikkinchisi - magnit maydonga reaktsiya darajasini ko'rsatadi. Materiallarning katta qismi e va m noldan kattaroqdir.

Manfiy e yoki m materialdagi elektronlar elektr va fizika tomonidan yaratilgan kuchlarga teskari yo'nalishda harakat qilganda paydo bo'ladi. magnit maydonlar. Garchi bu xatti-harakatlar paradoksal bo'lib ko'rinsa-da, elektronlarni elektr va magnit maydon kuchlariga qarshi harakat qilish unchalik qiyin emas.

Bunday moddalarni qayerdan va qanday izlash kerak?

Salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materialni yaratish imkoniyatining birinchi eksperimental tasdig'i 2000 yilda San-Diegodagi Kaliforniya universitetida (UCSD) olingan. Metamaterialning asosiy qurilish bloklari to'lqin uzunligidan ancha kichik bo'lishi kerakligi sababli, tadqiqotchilar to'lqin uzunligi santimetrli nurlanish bilan ishladilar va bir necha millimetr o'lchamdagi elementlardan foydalanishdi.

Bunday salbiy reaktsiyaning kaliti rezonans, ya'ni ma'lum bir chastotada tebranish tendentsiyasidir. U sun'iy ravishda metamaterialda moddaning magnit yoki elektr maydoniga reaktsiyasini simulyatsiya qiluvchi kichik rezonansli sxemalar yordamida yaratilgan. Misol uchun, singan halqali rezonatorda (RRR) metall halqadan o'tadigan magnit oqim unda ba'zi materiallarning magnitlanishini keltirib chiqaradigan oqimlarga o'xshash aylanma oqimlarni keltirib chiqaradi. Va to'g'ri metall novdalar panjarasida elektr maydoni ular bo'ylab yo'naltirilgan oqimlarni hosil qiladi. Bunday zanjirlardagi erkin elektronlar o'tkazgichning shakli va o'lchamiga qarab rezonans chastotasi bilan tebranadi. Rezonans chastotasidan past chastotali maydon qo'llanilsa, normal ijobiy javob kuzatiladi. Biroq, chastota oshgani sayin, javob salbiy bo'ladi, xuddi mayatnik sizga qarab harakatlanayotganda, agar siz uni rezonans chastotasidan yuqori chastota bilan sursangiz. Shunday qilib, ma'lum bir chastota diapazonidagi o'tkazgichlar elektr maydoniga salbiy e ga ega muhit sifatida javob berishi mumkin va kesilgan halqalar salbiy m bo'lgan materialni simulyatsiya qilishi mumkin. Ushbu o'tkazgichlar va kesilgan halqalar keng ko'lamli metamateriallarni yaratish uchun zarur bo'lgan elementar bloklardir, shu jumladan Veselago izlagan.

Kaliforniyalik olimlar prizma shaklida yig'ilgan o'zgaruvchan o'tkazgichlar va RKR dan iborat metamaterialni loyihalashtirdilar. Supero'tkazuvchilar manfiy e ni, kesilgan halqalar esa salbiy m ni ta'minladi. Natijada salbiy sinishi indeksi bo'lishi kerak edi. Taqqoslash uchun, teflondan aynan bir xil shakldagi prizma qilingan, buning uchun n = 1,4. Tadqiqotchilar mikroto'lqinli nurlanish nurini prizma chetiga yo'naltirishdi va undan chiqadigan to'lqinlarning turli burchaklardagi intensivligini o'lchashdi. Kutilganidek, nur teflon prizma tomonidan ijobiy singan va metamaterial prizma tomonidan salbiy singan.

Oqibatlari.

Turli tomonlari bo'lgan ikki vosita orasidagi interfeysdagi sinishi.

Superlens.

n bilan oddiy tekislik-parallel metamaterial plastinka<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

N bilan metamaterialdan yasalgan tekis-parallel plastinka<0

To'g'ri muhitda linzalarning tasvir maydoni ob'ektning o'ziga o'xshamaydi, chunki u yo'qolgan to'lqinlarsiz hosil bo'ladi. Chap muhitda o'chib ketuvchi to'lqinlar susaymaydi, aksincha, to'lqin ob'ektdan uzoqlashganda ularning amplitudasi ortadi, shuning uchun tasvir o'chuvchi to'lqinlar ishtirokida hosil bo'ladi, bu esa aniqlikka ega tasvirlarni olish imkonini beradi. diffraktsiya chegarasidan yaxshiroq. Bunday optik tizimlarni yaratishda diffraktsiya chegarasini engib o'tish, ulardan mikroskoplarning ruxsatini oshirish, nano o'lchamdagi mikrosxemalarni yaratish va optik saqlash vositalarida yozish zichligini oshirish uchun foydalanish mumkin.

Salbiy bosim

n bilan muhitda tarqalayotgan nurning aks etishi< 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.

Yangiliklar

2007 yil boshida ko'rinadigan hududda salbiy sinishi indeksiga ega metamaterialni yaratish e'lon qilindi. Material 780 nm to'lqin uzunligida -0,6 ga teng bo'lgan sinishi indeksiga ega edi.

2011 yilda katta hajmdagi metamateriallarni ommaviy ishlab chiqarish imkonini beruvchi texnologiya AQShda sinovdan o'tkazilgani haqida maqolalar chop etildi.

Chop etish orqali metamateriallar

Xulosa

Noyob xususiyatlarga ega bo'lgan yangi metamateriallarni o'rganish va yaratish insoniyatga yaqin kelajakda fan va texnologiyaning ko'plab sohalarida sezilarli darajada rivojlanishiga imkon beradi. Bunga ruxsatning diffraktsiya chegarasini engib o'tadigan superlinzalar tufayli astronomik tadqiqotlar kiradi; muqobil energiya manbalari - samaradorligi 20% dan yuqori bo'lgan yangi quyosh panellari paydo bo'ladi; materiallar - ko'rinmas va boshqalar. Tadqiqot yo'nalishlari soni juda katta va eng muhimi, ular muvaffaqiyatli.

MOSKVA,26 Sentabr - RIA Novosti, Olga Kolentsova. Ba'zida zamonaviy texnologiyalarning yutuqlari sehr bilan adashishi mumkin. Faqat sehr o'rniga aniq fan ishlaydi. Tadqiqot yo'nalishlaridan biri, natijalari "ertak atributlari" xususiyatlarining illyustratsiyasi sifatida xizmat qilishi mumkin bo'lgan bu metamateriallarni ishlab chiqish va yaratishdir.

Matematiklar metamaterialni “engil kompyuter”ga aylantirish yo‘lini topdilar.Matematiklar metamateriallarning xossalarini nazariy jihatdan shunday o'zgartirish mumkinligini aniqladilarki, bunday birikmalarning bir nechta turli qismlari to'plami bitta yorug'lik nurlari ustida murakkab matematik amallarni bajarishi mumkin.

Sof jismoniy nuqtai nazardan qaraganda, metamateriallar sun'iy ravishda shakllangan va tabiatda erishib bo'lmaydigan elektromagnit yoki optik xususiyatlarga ega bo'lgan maxsus qurilgan tuzilmalardir.Ikkinchisi hatto ularni tashkil etuvchi moddalarning xususiyatlari, ya'ni tuzilishi bilan ham belgilanmaydi.Axir, uylar. tashqi ko'rinishiga o'xshash bir xil materiallardan qurilishi mumkin, lekin bittasida boshqa ovoz o'tkazmaydigan bo'ladi, boshqasida esa qarama-qarshi kvartiradan qo'shningizning nafas olishini eshitasiz. Buning siri nimada? Faqatgina quruvchining taqdim etilgan mablag'larni boshqarish qobiliyatida.

Hozirgi vaqtda materialshunoslar tabiatda mavjud bo'lmagan ko'plab tuzilmalarni yaratdilar, garchi ular fizik qonunlar chegarasidan tashqariga chiqmasalar ham. Misol uchun, yaratilgan metamateriallardan biri tovush to'lqinlarini shu qadar ajoyib tarzda boshqara oladiki, ular havoda kichik to'pni ushlab turadi. U termoplastik novdalar bilan to'ldirilgan g'ishtlar yordamida yig'ilgan ikkita panjaradan iborat bo'lib, ular "ilon" shaklida yotqizilgan. Ovoz to'lqini linzalardagi yorug'lik kabi fokuslanadi va tadqiqotchilarning fikricha, bu qurilma ularga ovozni boshqarishni uning yo'nalishini o'zgartirish qobiliyatiga qadar rivojlantirish imkonini beradi, chunki ular endi optika yordamida yorug'lik nurining yo'lini o'zgartiradilar.

Boshqa metamaterial o'zini qayta tashkil qilishi mumkin. Ob'ekt undan qo'llar yordamisiz yig'iladi, chunki shakl o'zgarishini dasturlash mumkin! Bunday "aqlli" materialning tuzilishi kublardan iborat bo'lib, ularning har bir devori polietilen tereftalatning ikkita tashqi qatlamidan va bir ichki qatlamli ikki tomonlama yopishqoq lentadan iborat. Ushbu dizayn ob'ektning shakli, hajmi va hatto qattiqligini o'zgartirishga imkon beradi.

Ammo eng hayratlanarli xususiyatlar optik metamateriallardir, ular haqiqatning vizual idrokini o'zgartirishi mumkin. Ular inson ko'zi ko'radigan to'lqin uzunligi oralig'ida "ishlaydi". Aynan shunday materiallardan olimlar ko'rinmas plash yasash mumkin bo'lgan mato yaratdilar.

To'g'ri, hozirgacha faqat mikro-ob'ektni optik diapazonda ko'rinmas holga keltirish mumkin.

Manfiy sinishi burchagi bo'lgan materialni yaratish imkoniyati 1967 yilda sovet fizigi Viktor Veselago tomonidan bashorat qilingan, ammo hozirgina bunday xususiyatlarga ega bo'lgan haqiqiy tuzilmalarning birinchi namunalari paydo bo'ldi. Salbiy sinishi burchagi tufayli, yorug'lik nurlari ob'ekt atrofida egilib, uni ko'rinmas qiladi. Shunday qilib, kuzatuvchi faqat "ajoyib" plash kiygan odamning orqasida nima sodir bo'layotganini sezadi.

Optik metamateriallarni yaratish bo'yicha so'nggi yutuq NUST MISIS rus olimlariga tegishli. Bundan tashqari, eng keng tarqalgan "ingrediyentlar" ishlatilgan - havo, shisha va suv. Olimlarning ishi dunyodagi eng yuqori reytingli jurnallardan biri – Scientific Reportsda chop etilgan. nashriyot uyi Tabiat. "Har bir bunday namuna minglab evroga tushishi mumkin", deb ta'kidladi Aleksey Basharin, NUST MISIS Supero'tkazuvchi metamateriallar laboratoriyasining tadqiqotchisi, texnika fanlari nomzodi. — Bundan tashqari, bunday tizimni shakllantirishda xatolik ehtimoli eng yuqori aniqlikdagi asboblardan foydalanganda ham juda yuqori.Biroq, agar siz optik (400-700 nm) emas, balki radioni o'z ichiga olgan katta hajmdagi materialni yaratsangiz. to'lqinlar (uzunligi 7-8 sm), jarayonning fizikasi Bu masshtab o'zgarmaydi, lekin ularni yaratish texnologiyasi soddalashadi."

Yaratilgan tuzilmalarning xususiyatlarini o'rganish orqali ish mualliflari ushbu turdagi moddalarning bir nechta amaliy qo'llanilishini ko'rsatdilar.Birinchi navbatda, bu murakkab molekulalarning sensorlari, chunki ikkinchisi, metamaterial maydoniga kirayotganda, . porlash. Shu tarzda, masalan, sud-tibbiyot fanining rivojlanishiga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin bo'lgan yagona molekulalarni aniqlash mumkin. Bundan tashqari, bunday metamaterial ma'lum uzunlikdagi yorug'likni tushayotgan nurlanishdan ajratuvchi yorug'lik filtri sifatida ishlatilishi mumkin.U ultra-ishonchli magnit xotirani yaratish uchun asos sifatida ham qo'llaniladi, chunki metamaterial hujayralarning tuzilishi ularga to'sqinlik qiladi. magnitlanishni bir-biriga qaytarish va shu bilan ma'lumotni yo'qotish.

Ajablanarlisi optik xususiyatlarga ega metamaterialdan qurilgan superlins ishlatilgan yorug'lik to'lqin uzunligidan kichikroq tafsilotlarga ega tasvirlarni yaratishi mumkin.

Bundan qariyb 40 yil muqaddam sovet olimi Viktor Veselago salbiy sindirish ko‘rsatkichiga ega bo‘lgan materiallar mavjudligi haqidagi farazni ilgari surgan edi (UFN, 1967, 92-jild, 517-bet). Ulardagi yorug'lik to'lqinlari nurning tarqalish yo'nalishiga qarshi harakatlanishi va odatda hayratlanarli tarzda harakat qilishi kerak, shu bilan birga bu materiallardan tayyorlangan linzalar sehrli xususiyatlarga ega bo'lishi kerak. Biroq, ma'lum bo'lgan barcha moddalar ijobiy sinishi indeksiga ega: bir necha yillik intensiv izlanishlardan so'ng Veselago mos elektromagnit xususiyatlarga ega bitta materialni topa olmadi va uning farazi unutildi. Ular buni faqat 21-asrning boshlarida eslashdi. (sm.: ).

Materialshunoslikning so'nggi yutuqlari tufayli Veselago g'oyasi qayta tiklandi. Moddalarning elektromagnit xossalari ularni hosil qiluvchi atomlar va molekulalarning xarakteristikalari bilan belgilanadi, ular ancha tor xarakteristikalar doirasiga ega. Shuning uchun bizga ma'lum bo'lgan millionlab materiallarning xususiyatlari unchalik xilma-xil emas. Biroq, 90-yillarning o'rtalarida. Materiallar texnologiyasi markazi olimlari. Angliyadagi Markoni makroskopik elementlardan tashkil topgan va elektromagnit to'lqinlarni har qanday ma'lum moddalardan butunlay boshqacha tarzda tarqatadigan metamateriallarni yaratishni boshladi.

2000 yilda Devid Smit va San-Diegodagi Kaliforniya universitetidagi hamkasblari salbiy sinishi indeksiga ega metamaterialni yasadilar. Undagi yorug'likning harakati shunchalik g'alati bo'lib chiqdiki, nazariyotchilar moddalarning elektromagnit xususiyatlariga oid kitoblarni qayta yozishga majbur bo'ldilar. Eksperimentalistlar allaqachon metamateriallarning hayratlanarli xususiyatlaridan foydalanadigan texnologiyalarni ishlab chiqishmoqda, ular ishlatilgan yorug'lik to'lqin uzunligidan kichikroq tafsilotlarga ega tasvirlarni yaratishga qodir superlinzalarni yaratadilar. Ularning yordami bilan nanoskopik elementlarga ega mikrosxemalar yasash va optik disklarga katta hajmdagi ma’lumotlarni yozib olish mumkin bo‘lar edi.

Salbiy sinishi

Salbiy sinishi qanday sodir bo'lishini tushunish uchun elektromagnit nurlanishning modda bilan o'zaro ta'sir qilish mexanizmini ko'rib chiqaylik. U orqali o'tadigan elektromagnit to'lqin (masalan, yorug'lik nuri) atomlar yoki molekulalarning elektronlarini harakatga keltiradi. Bu to'lqin energiyasining bir qismini iste'mol qiladi, bu uning xususiyatlariga va tarqalish tabiatiga ta'sir qiladi. Kerakli elektromagnit xususiyatlarni olish uchun tadqiqotchilar materialning kimyoviy tarkibini tanlaydilar.

Ammo metamateriallar misolidan ko'rinib turibdiki, kimyo materiyaning qiziqarli xususiyatlarini olishning yagona yo'li emas. Materialning elektromagnit reaktsiyasi kichik makroskopik tuzilmalarni yaratish orqali "muhandislik qilish" mumkin. Gap shundaki, odatda elektromagnit to'lqinning uzunligi atomlar yoki molekulalarning o'lchamidan bir necha marta kattaroqdir. To'lqin alohida molekula yoki atomni emas, balki millionlab zarrachalarning jamoaviy reaktsiyasini "ko'radi". Bu metamateriallar uchun ham amal qiladi, ularning elementlari ham to'lqin uzunligidan sezilarli darajada kichikroq.

Elektromagnit to'lqinlar maydoni, ularning nomidan ko'rinib turibdiki, ham elektr, ham magnit komponentga ega. Materialdagi elektronlar elektr maydon ta'sirida oldinga va orqaga, magnit maydon ta'sirida aylana bo'ylab harakatlanadi. O'zaro ta'sir darajasi moddaning ikkita xususiyati bilan belgilanadi: dielektrik doimiy e va magnit o'tkazuvchanligi μ . Birinchisi elektronlarning elektr maydoniga reaktsiya darajasini, ikkinchisi - magnit maydonga reaktsiya darajasini ko'rsatadi. Materiallarning katta qismi ε Va μ Noldan yuqori.

Moddaning optik xossalari uning sindirish ko'rsatkichi bilan tavsiflanadi n, bilan bog'liq ε Va μ oddiy munosabat: n = ± √(e∙m). Barcha ma'lum materiallar kvadrat ildiz oldida "+" belgisiga ega bo'lishi kerak va shuning uchun musbat sinishi indeksiga ega bo'lishi kerak. Biroq, 1968 yilda Veselago salbiy bo'lgan moddalarni ko'rsatdi ε Va μ sindirish ko'rsatkichi n noldan kichik bo'lishi kerak. Salbiy ε yoki μ materialdagi elektronlar elektr va magnit maydonlar tomonidan yaratilgan kuchlarga teskari yo'nalishda harakat qilganda olinadi. Garchi bu xatti-harakatlar paradoksal bo'lib ko'rinsa-da, elektronlarni elektr va magnit maydon kuchlariga qarshi harakat qilish unchalik qiyin emas.

Agar siz mayatnikni qo'lingiz bilan itarib qo'ysangiz, u itoatkorlik bilan surish yo'nalishi bo'yicha harakat qiladi va rezonans chastotasi deb ataladigan tebranishni boshlaydi. Mayatnikni belanchak bilan o'z vaqtida surish orqali siz tebranishlar amplitudasini oshirishingiz mumkin. Agar siz uni yuqori chastota bilan bossangiz, zarbalar endi fazadagi tebranishlarga to'g'ri kelmaydi va bir nuqtada qo'l unga qarab harakatlanadigan mayatnik bilan uriladi. Xuddi shunday, salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materialdagi elektronlar fazadan chiqib ketadi va elektromagnit maydonning "itarilishi" ga qarshilik ko'rsatishni boshlaydi.

Metamateriallar

Bunday zanjirlardagi erkin elektronlar o'tkazgichning shakli va o'lchamiga qarab rezonans chastotasi bilan tebranadi. Rezonans chastotasidan past chastotali maydon qo'llanilsa, normal ijobiy javob kuzatiladi. Biroq, chastota oshgani sayin, javob salbiy bo'ladi, xuddi mayatnik sizga qarab harakatlanayotganda, agar siz uni rezonans chastotasidan yuqori chastota bilan sursangiz. Shunday qilib, ma'lum bir chastota diapazonidagi o'tkazgichlar salbiy bilan vosita sifatida elektr maydoniga javob berishi mumkin ε , va kesilgan halqalar salbiy bilan materialni taqlid qilishi mumkin μ . Ushbu o'tkazgichlar va kesilgan halqalar keng ko'lamli metamateriallarni yaratish uchun zarur bo'lgan elementar bloklardir, shu jumladan Veselago izlagan.

Salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materialni yaratish imkoniyatining birinchi eksperimental tasdig'i 2000 yilda San-Diegodagi Kaliforniya universitetida olingan ( UCSD). Metamaterialning asosiy qurilish bloklari to'lqin uzunligidan ancha kichik bo'lishi kerakligi sababli, tadqiqotchilar to'lqin uzunligi santimetrli nurlanish bilan ishladilar va bir necha millimetr o'lchamdagi elementlardan foydalanishdi.

Kaliforniyalik olimlar prizma shaklida yig'ilgan o'zgaruvchan o'tkazgichlar va RKR dan iborat metamaterialni loyihalashtirdilar. Supero'tkazuvchilar salbiy ta'sir ko'rsatdi ε , va kesilgan halqalar - salbiy μ . Natijada salbiy sinishi indeksi bo'lishi kerak edi. Taqqoslash uchun, aynan bir xil shakldagi prizma Teflondan qilingan n= 1.4. Tadqiqotchilar mikroto'lqinli nurlanish nurini prizma chetiga yo'naltirishdi va undan chiqadigan to'lqinlarning turli burchaklardagi intensivligini o'lchashdi. Kutilganidek, nur teflon prizma tomonidan ijobiy singan va metamaterial prizma tomonidan salbiy singan. Veselagoning taxmini haqiqatga aylandi: nihoyat salbiy sindirish ko'rsatkichiga ega bo'lgan material olindi. Yoki yo'qmi?

Istalganmi yoki haqiqiymi?

Tajribalar ichida UCSD fiziklarning salbiy sindirish ko'rsatkichiga ega bo'lgan materiallarning xususiyatlariga oid ajoyib yangi bashoratlari bilan bir qatorda, boshqa tadqiqotchilar orasida qiziqish to'lqinini keltirib chiqardi. Veselago o'z gipotezasini ifodalaganida, metamateriallar hali mavjud emas edi va mutaxassislar salbiy sinishi hodisasini diqqat bilan o'rganmagan. Endi ular unga ko'proq e'tibor berishni boshladilar. Skeptiklar salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materiallar fizikaning asosiy qonunlarini buzadimi yoki yo'qligini so'rashdi. Agar shunday bo'lsa, butun tadqiqot dasturi shubha ostiga qo'yiladi.

Eng qizg'in bahs murakkab materialdagi to'lqin tezligi haqidagi savolga sabab bo'ldi. Yorug'lik vakuumda maksimal tezlikda tarqaladi c= 300 ming km/s. Materialdagi yorug'lik tezligi kamroq: v =c/n. Lekin nima bo'ladi n salbiy? Yorug'lik tezligi formulasining oddiy talqini yorug'likning teskari yo'nalishda harakat qilishini ko'rsatadi.

To'liqroq javob to'lqinning ikkita tezligi borligini hisobga oladi: faza va guruh. Ularning ma'nosini tushunish uchun yorug'lik zarbasini muhitda harakatlanayotganini tasavvur qiling. Bu shunday ko'rinadi: to'lqinning amplitudasi pulsning markazida maksimal darajaga ko'tariladi va keyin yana kamayadi. Faza tezligi - bu alohida portlashlarning tezligi va guruh tezligi - impuls konvertining harakatlanish tezligi. Ular bir xil bo'lishi shart emas.

Veselago manfiy sindirish ko'rsatkichiga ega bo'lgan materialda guruh va faza tezliklari qarama-qarshi yo'nalishda harakat qilishini aniqladi: individual maksimal va minimallar orqaga, butun impuls esa oldinga siljiydi. Manfiy sindirish ko'rsatkichiga ega bo'lgan materialga botiriladigan manbadan (masalan, spotlight) uzluksiz yorug'lik nuri qanday harakat qilishini ko'rib chiqish qiziq. Agar biz yorug'lik to'lqinining alohida tebranishlarini kuzata olsak, ularning nur bilan yoritilgan ob'ektda paydo bo'lishini, orqaga qarab harakatlanishini va oxir-oqibat diqqat markazida yo'qolishini ko'rar edik. Shu bilan birga, yorug'lik nurining energiyasi yorug'lik manbasidan uzoqlashib, oldinga siljiydi. Aynan shu yo'nalishda nur o'zining individual tebranishlarining hayratlanarli orqaga harakatiga qaramay, aslida tarqaladi.

Amalda yorug'lik to'lqinining individual tebranishlarini kuzatish qiyin va pulsning shakli juda murakkab bo'lishi mumkin, shuning uchun fiziklar ko'pincha faza va guruh tezligi o'rtasidagi farqni ko'rsatish uchun aqlli hiyla ishlatadilar. To'lqin uzunliklari bir oz farq qiladigan ikkita to'lqin bir yo'nalishda harakat qilganda, ular aralashib, cho'qqilari guruh tezligi bilan harakatlanadigan zarbalar naqshini yaratadi.

Ushbu texnikani tajribada qo'llash UCSD 2002 yilda sinishi, Prashant M. Valanju va uning Ostindagi Texas universitetidagi hamkasblari qiziqarli narsani kuzatdilar. Manfiy va musbat sinishi indeksiga ega bo'lgan muhitlar orasidagi interfeysda sinishi, turli to'lqin uzunliklariga ega bo'lgan ikkita to'lqin bir oz boshqacha burchak ostida burildi. Urish sxemasi manfiy sinishi bo'lgan nurlar uchun emas, balki musbat sinishi bilan bo'lishi kerak bo'lgandek chiqdi. Texas tadqiqotchilari zarbalar naqshini guruh tezligi bilan taqqoslab, har qanday jismoniy mumkin bo'lgan to'lqin ijobiy sinishi kerak degan xulosaga kelishdi. Salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan material mavjud bo'lsa-da, salbiy sinishiga erishib bo'lmaydi.

Unda tajribalar natijalarini qanday tushuntirish mumkin? UCSD? Valanjou va boshqa ko'plab tadqiqotchilar kuzatilgan salbiy refraktsiyani boshqa hodisalar bilan bog'lashdi. Ehtimol, namuna shunchalik ko'p energiyani yutganki, to'lqinlar faqat prizmaning tor tomonidan paydo bo'lib, salbiy sinishiga taqlid qilganmi? Axir, metamaterial UCSD haqiqatan ham nurlanishni kuchli yutadi va o'lchovlar prizma yaqinida amalga oshirildi. Shuning uchun, yutilish gipotezasi juda ishonchli ko'rinadi.

Topilmalar katta tashvish uyg'otdi: ular nafaqat tajribalarni bekor qilishi mumkin edi UCSD, balki Veselago tomonidan bashorat qilingan hodisalarning butun doirasi. Biroq, biroz o'ylangandan so'ng, biz guruh tezligining ko'rsatkichi sifatida urish naqshiga tayanib bo'lmasligimizni angladik: turli yo'nalishlarda harakatlanadigan ikkita to'lqin uchun interferentsiya naqshining guruh tezligiga hech qanday aloqasi yo'q.

Tanqidchilarning dalillari parchalana boshlaganda, salbiy sinishi uchun qo'shimcha eksperimental dalillar paydo bo'ldi. Minas Tanielian guruhi ( Minas Tanielian) kompaniyadan Boeing Phantom Works Sietlda tajriba takrorlandi UCSD juda past yutilishga ega bo'lgan metamaterialdan yasalgan prizma bilan. Bundan tashqari, sensor prizmadan ancha uzoqroqda joylashgan edi, shuning uchun metamaterialda yutilish nurning salbiy sinishi bilan chalkashtirib yuborilmasdi. Yangi ma'lumotlarning yuqori sifati salbiy sinishi mavjudligi haqidagi shubhalarga chek qo'yadi.

Davomi bor

Jang tutuni tozalanar ekan, biz Veselago aytgan ajoyib voqea salbiy indeksli materiallar bo'yicha oxirgi so'z emasligini tushuna boshladik. Sovet olimi yorug'lik nurlarini geometrik tarzda qurish usulini qo'llagan, bunda turli materiallarning chegaralarida aks etish va sinishi hisobga olingan. Bu kuchli texnika, masalan, suzish havzasidagi jismlar nima uchun yer yuzasiga o‘zidan ko‘ra yaqinroq ko‘rinishini va suyuqlikka yarim cho‘milgan qalam nima uchun bukilgan ko‘rinishini tushunishga yordam beradi. Gap shundaki, suvning sindirish ko'rsatkichi ( n= 1.3) havodan kattaroqdir va yorug'lik nurlari havo va suv chegarasida sinadi. Sinishi indeksi taxminan haqiqiy chuqurlikning ko'rinadigan chuqurlikka nisbatiga teng.

Veselago nurning salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materialdan yasalganligini bashorat qilish uchun nurlanishdan foydalangan. n= -1 noyob xususiyatlarga ega linza sifatida harakat qilishi kerak. Ko'pchiligimiz ijobiy sinishi materiallardan tayyorlangan linzalarni yaxshi bilamiz - kameralar, lupalar, mikroskoplar va teleskoplarda. Ular fokus uzunligiga ega va tasvirning qaerda hosil bo'lishi fokus uzunligi va ob'ekt va linzalar orasidagi masofaning kombinatsiyasiga bog'liq. Tasvirlar odatda ob'ektdan o'lchamlari bo'yicha farqlanadi va linzalar linzalar o'qida joylashgan ob'ektlar uchun eng yaxshi ishlaydi. Veselago linzalari an'anaviylardan butunlay boshqacha ishlaydi: uning ishlashi ancha sodda, u faqat uning yonida joylashgan ob'ektlarga ta'sir qiladi va butun optik maydonni linzaning bir tomonidan boshqasiga o'tkazadi.

Veselagoning linzalari shu qadar g'ayrioddiyki, Jon Pendri ( Jon B. Pendri) Men hayron bo'lishim kerak edi: u qanchalik mukammal ishlashi mumkin? Va xususan, Veselago linzalarining maksimal ruxsati qanday bo'lishi mumkin? Ijobiy sinishi indeksiga ega optik elementlar diffraktsiya chegarasi bilan chegaralanadi - ular ob'ektdan aks ettirilgan yorug'lik to'lqin uzunligiga teng yoki undan kattaroq xususiyatlarni hal qila oladi. Diffraktsiya mikroskop bilan ko'rish mumkin bo'lgan eng kichik ob'ekt yoki teleskop hal qila oladigan ikkita yulduz orasidagi eng kichik masofa kabi barcha tasvirlash tizimlariga yakuniy chegara qo'yadi. Diffraktsiya, shuningdek, mikrochiplar (chiplar) ishlab chiqarishda optik litografiya jarayonida yaratilishi mumkin bo'lgan eng kichik detalni ham aniqlaydi. Xuddi shunday, diffraktsiya optik raqamli video diskda (DVD) saqlanishi yoki o'qilishi mumkin bo'lgan ma'lumotlar miqdorini cheklaydi. Diffraktsiya chegarasini chetlab o'tish usuli texnologiyani inqilob qilishi mumkin, bu optik litografiyaning nano o'lchov oralig'iga kirib borishiga va, ehtimol, optik disklarda saqlanadigan ma'lumotlar miqdorini yuzlab marta oshirishga imkon beradi.

Salbiy sinishi optikasi an'anaviy ("ijobiy") optikadan ustun bo'lishi mumkinligini aniqlash uchun biz nurlar yo'liga qarashdan uzoqroqqa borishimiz kerak. Birinchi yondashuv diffraktsiyani e'tiborsiz qoldiradi va shuning uchun salbiy sinishi linzalarning o'lchamlarini taxmin qilish uchun foydalanilmaydi. Diffraktsiyani kiritish uchun biz elektromagnit maydonning aniqroq tavsifidan foydalanishimiz kerak edi.

Superlens

Aniqroq ta'riflash uchun, har qanday manbadan - atomlar, radio antennalar yoki yorug'lik nurlari chiqaradigan elektromagnit to'lqinlar kichik teshikdan o'tib, ikki xil turdagi maydonlarni hosil qiladi: uzoq va yaqin maydon. Uzoq maydon, uning nomidan ko'rinib turibdiki, ob'ektdan uzoqda kuzatiladi va ob'ektiv tasvirini hosil qilib, ob'ektiv tomonidan olinadi. Afsuski, bu tasvir faqat ob'ektning taxminiy rasmini o'z ichiga oladi, bunda diffraktsiya aniqlikni to'lqin uzunligi bilan cheklaydi. Yaqin maydon ob'ektning barcha nozik tafsilotlarini o'z ichiga oladi, lekin uning intensivligi masofa bilan tezda kamayadi. Ijobiy sinishi linzalari juda zaif yaqin maydonni ushlab turish va uning ma'lumotlarini tasvirga uzatish imkoniyatini bermaydi. Biroq, bu salbiy refraktiv linzalar uchun to'g'ri emas.

Manbaning yaqin va uzoq sohalari Veselago linzalari bilan qanday o'zaro ta'sir qilishini batafsil o'rganib chiqib, 2000 yilda Pendri hammani hayratda qoldirib, ob'ektiv, asosan, yaqin va uzoq maydonlarni ham qaratishi mumkin degan xulosaga keldi. Agar bu hayratlanarli bashorat to'g'ri bo'lsa, bu Veselago linzalari, boshqa barcha ma'lum optikalardan farqli o'laroq, diffraktsiya chegarasiga bo'ysunmasligini anglatadi. Shuning uchun, salbiy sinishi bo'lgan tekis struktura superlens deb ataldi.

Keyingi tahlillarda biz va boshqalar superlensning o'lchamlari uning salbiy sinishi materialining sifati bilan cheklanganligini aniqladik. Eng yaxshi ishlash uchun nafaqat sinishi indeksi kerak n−1 ga teng edi, lekin e va m ham −1 ga teng edi. Ushbu shartlar bajarilmagan linzalarning o'lchamlari keskin pasaygan. Ushbu shartlarning bir vaqtning o'zida bajarilishi juda jiddiy talabdir. Ammo 2004 yilda Entoni Grbich ( Entoni Grbich) va Jorj Elefteriadlar ( Jorj V. Elefteriadlar) Toronto universiteti olimlari eksperimental ravishda radiochastota diapazonida e =−1 va m =−1 ga ega bo‘lgan metamaterial haqiqatda diffraksiya chegarasidan kichikroq miqyosdagi ob’ektlarni hal qila olishini ko‘rsatdi. Ularning natijasi superlensni qurish mumkinligini isbotladi, lekin uni yanada qisqaroq optik to'lqin uzunliklari uchun yaratish mumkinmi?

Metamateriallarni optik to'lqin uzunliklariga o'tkazish qiyinligi ikki tomonga ega. Birinchidan, o'tkazgichlar va bo'linish halqalari kabi metamaterial chiplarni tashkil etuvchi metall o'tkazuvchan elementlarni ko'rinadigan yorug'lik to'lqin uzunligidan (400-700 nm) kichikroq bo'lishi uchun nanometr shkalasigacha kichraytirish kerak. Ikkinchidan, qisqa to'lqin uzunliklari yuqori chastotalarga to'g'ri keladi va bunday chastotalardagi metallar yomon o'tkazuvchanlikka ega, shuning uchun metamateriallarning xususiyatlariga asoslangan rezonanslarni bostiradi. 2005 yilda Kostas Sukolis ( Kostas Sukulis) Ayova universiteti va Martin Vegener ( Martin Vegener) Germaniyaning Karlsrue universiteti olimlari 1,5 mikrondan past to‘lqin uzunliklarida ishlaydigan yoriqli halqalarni yasash mumkinligini eksperimental ravishda ko‘rsatdilar. Bunday qisqa to'lqin uzunliklarida maydonning magnit komponentida rezonans juda zaif bo'lishiga qaramay, bunday elementlar bilan hali ham qiziqarli metamateriallar hosil bo'lishi mumkin.

Ammo biz hali ko'rinadigan yorug'lik to'lqin uzunliklarida m =−1 ga olib keladigan materialni yarata olmaymiz. Yaxshiyamki, murosaga kelish mumkin. Ob'ekt va tasvir orasidagi masofa to'lqin uzunligidan ancha kichik bo'lsa, faqat e =−1 shartini qondirish kerak va m qiymatini e'tiborsiz qoldirish mumkin. O'tgan yili Richard Bleyk guruhi ( Richard Blaiki) Yangi Zelandiyadagi Kenterberi universiteti va Xiang Jang guruhidan ( Xiang Zhang) Kaliforniya universiteti, Berkli, ushbu ko'rsatmalarga rioya qilib, mustaqil ravishda optik tizimda o'ta aniqlikni namoyish etdi. Optik to'lqin uzunliklarida metallning o'ziga xos rezonanslari salbiy dielektrik o'tkazuvchanlikka (e) olib kelishi mumkin. Shuning uchun, e = -1 bo'lgan to'lqin uzunligidagi juda nozik metall qatlami superlens sifatida harakat qilishi mumkin. Bleyk ham, Jung ham yorug'likning to'lqin uzunligidan kichikroq shaklli teshiklar chiqaradigan 365 nm yorug'lik nurlarini tasvirlash uchun taxminan 40 nm qalinlikdagi kumush qatlamidan foydalangan. Kumush plyonka ideal ob'ektivdan uzoq bo'lsa-da, kumush superlens tasvir o'lchamlarini sezilarli darajada yaxshiladi, bu superlensning asosiy printsipi to'g'ri ekanligini isbotladi.

Kelajakka nazar

Superlens namoyishi - bu salbiy sindiruvchi materiallarning xususiyatlari haqidagi ko'plab bashoratlarning eng oxirgisi, bu kengayib borayotgan sohada jadal taraqqiyotning belgisidir. Salbiy sinishi ehtimoli fiziklarni elektromagnetizmning deyarli butun maydonini qayta ko'rib chiqishga majbur qildi. Va bu g'oyalar diapazoni to'liq tushunilganda, salbiy sinishi materiallar bilan bog'liq bo'lgan yangi kutilmagan burilishlarni hisobga olish uchun sinishi va rezolyutsiyaning diffraktsiya chegarasi kabi asosiy optik hodisalarni qayta ko'rib chiqish kerak bo'ladi.

Metamateriallarning sehrlari va salbiy sinishi sehrlari hali ham amaliy texnologiyaga "aylantirish" kerak. Bunday qadam metamateriallar dizaynini takomillashtirish va ularni maqbul narxda ishlab chiqarishni talab qiladi. Hozirgi vaqtda ushbu sohada ko'plab tadqiqot guruhlari mavjud bo'lib, ular muammoni hal qilish yo'llarini jadal rivojlantirmoqda.

Viktor Veselago nazariyasi va amaliyoti

Fizika-matematika fanlari doktori, IOFAN xodimi, Moskva fizika-texnika instituti professori Viktor Georgievich Veselagoning taqdiri unga qiziqarli hazil qildi. Butun hayotini amaliyot va tajribaga bag'ishlagan holda, u elektrodinamikaning eng qiziqarli hodisalaridan birini nazariy bashorat qilgani uchun xalqaro e'tirofga sazovor bo'ldi.

Taqdirli baxtsiz hodisa

Viktor Georgievich Veselago 1929 yil 13 iyunda Ukrainada tug'ilgan va uning so'zlariga ko'ra, ma'lum vaqtgacha u fizikaga qiziqmagan. Va keyin o'sha taqdirli baxtsiz hodisalardan biri sodir bo'ldi, bu nafaqat inson hayotining yo'nalishini, balki oxir-oqibat fanning rivojlanish vektorini ham o'zgartirdi. Ettinchi sinfda bola kasal bo'lib qoldi va vaqt o'tkazish uchun barcha kitoblarni ketma-ket o'qiy boshladi. Ular orasida "Radio nima?" Kina, uni o'qib bo'lgach, maktab o'quvchisi radiotexnikaga jiddiy qiziqib qoldi. O'ninchi sinfni tugatgach, universitet tanlash masalasi paydo bo'lganda, do'stlarimdan biri Moskva universitetida yangi fizika va texnologiya fakulteti ochilayotganini, u erda boshqa mutaxassisliklardan tashqari radiofizika ham borligini aytdi.

Moskva davlat universitetining texnik fakultetiga abituriyentlar to'qqizta imtihondan iborat "marafon" ga chidashlari kerak edi. Ulardan birinchisida - yozma matematika - Veselago "ikki" oldi... Bugun u bu "xijolatni" shunchaki sarosimaga tushib qolgani, o'zini juda katta auditoriya ichida topib, o'zini tom ma'noda bir donadek his qilgani bilan izohlaydi. qum. Ertasi kuni u hujjatlarini olishga kelganida, dekan muovini Boris Osipovich Solonouts (uni shunchaki uning orqasida BOS deb atashgan) keyingi imtihonga kelishni maslahat berdi. Yo'qotadigan hech narsa yo'qligi sababli, yigit shunday qildi. Men qolgan sakkizta imtihonning hammasini to‘g‘ridan-to‘g‘ri A bilan topshirdim va o‘qishga qabul qilindim. Keyinchalik, ko'p yillar o'tgach, bunday "yutqazuvchilar" juda ko'p ekanligi ma'lum bo'ldi va dekanat birinchi imtihon natijalariga ko'ra abituriyentlarni tekshirmaslikka qaror qildi.

Keyin Viktor Georgievich hayotining eng baxtli davri deb ataydigan to'rt yillik o'qish bor edi. Talabalarga Pyotr Leonidovich Kapitsa, Lev Davidovich Landau kabi nuroniylar tomonidan ma'ruzalar tinglandi... Viktor Veselago yozgi amaliyotini Qrimdagi radioastronomiya stansiyasida o'tkazdi va u erda uning direktori, FIAN xodimi, professor Semyon Emmanuilovich Xaykin bilan uchrashdi. Ma'lum bo'lishicha, aynan u Keen taxallusi bilan "Radio nima?" kitobini yozgan.

1951 yilda Moskva davlat universitetining fizika-texnika fakulteti yopildi - u Moskva fizika-texnika institutiga "o'sdi" va sobiq fizika-texnika fakulteti talabalari boshqa fakultetlarga taqsimlandi. Viktor Georgievich Moskva davlat universitetining fizika fakultetini tugatgan va uni rasmiy ravishda tugatgan, ammo o'zini Fizika-texnika institutining bitiruvchisi deb biladi. Veselago fizika institutida Aleksandr Mixaylovich Proxorov bilan nomzodlik dissertatsiyasini himoya qildi. P.N. Lebedev, u erda keyinchalik uning rahbarligi ostida ishlashni davom ettirdi. Birinchisi - FIANda va 1982 yildan hozirgi kungacha - undan ajralib chiqqan Umumiy fizika institutida (hozirda A.M. Proxorov nomi bilan atalgan IOFAN).

"Solenoid" ning qurilishi

O'ta kuchli magnit maydonlarni olish uchun 1960-yillarda Lebedev jismoniy institutida "Solenoid" deb nomlangan qurilma qurildi. Dizaynda GIPRONII ishtirok etgan, ammo Viktor Georgievich loyihaning asosiy elementlarini o'zi ishlab chiqqan. U hali ham ilmiy yutuqlardan tashqari, eng muhim yutuqlaridan biri og'ir uskunalar o'rnatilgan aravalarni birinchi qavatga olib chiqishga imkon beradigan rampa ekanligiga ishonadi. Kuchli magnit maydonlarni ishlab chiqarish uchun qurilmani yaratish uchun Veselago 1974 yilda Lebedev fizika instituti va boshqa ilmiy tashkilotlarning bir qator xodimlari bilan birgalikda Davlat mukofotiga sazovor bo'ldi.

Chap va o'ng

1960-yillarda Viktor Georgievich yarim o'tkazgich va ferromagnit bo'lgan materiallarga qiziqa boshladi. 1967 yilda Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) jurnalida u "Bir vaqtning o'zida e va m ning manfiy qiymatlari bo'lgan moddalarning elektrodinamikasi" nomli maqolasini nashr etdi, bu erda "manfiy sinishi indeksi n bo'lgan moddalar" atamasi birinchi marta kiritilgan va ularning mumkin bo'lgan xususiyatlari tasvirlangan.

Olim tushuntirganidek, yarimo'tkazgich xossalari epsilon (e) - dielektrik o'tkazuvchanlik qiymati, magnit xossalari esa mu (m) - magnit o'tkazuvchanlik qiymati orqali tavsiflanadi. Bu miqdorlar odatda musbat bo'ladi, garchi moddalar e ning manfiy va m musbat ekanligi ma'lum yoki aksincha. Veselago hayron bo'ldi: agar ikkala miqdor ham manfiy bo'lsa nima bo'ladi? Matematik nuqtai nazardan bu mumkin, lekin jismoniy nuqtai nazardan? Viktor Georgievich bunday holat tabiat qonunlariga zid emasligini ko'rsatdi, ammo bunday materiallarning elektrodinamikasi noldan katta bo'lgan va bir vaqtning o'zida sezilarli darajada farq qiladi. Avvalo, ularda elektromagnit tebranishlarning faza va guruh tezliklari turli yo'nalishlarga (normal muhitda - bir yo'nalishda) yo'naltirilganligi.

Veselago elektromagnit tebranishlarning tarqalishini tavsiflovchi uchta vektorning nisbiy holatiga asoslanib, salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan materiallarni "chap qo'l", musbat sinishi indeksiga ega bo'lganlarni esa mos ravishda "o'ng qo'l" deb atagan. Ikkita shunday muhit chegarasida sinish z o'qiga nisbatan aynali tarzda sodir bo'ladi.

Viktor Georgievich o'z g'oyalarini nazariy jihatdan asoslab, ularni amalda, xususan, magnit yarim o'tkazgichlarda amalga oshirishga harakat qildi. Biroq, kerakli materialni olishning iloji bo'lmadi. Faqat 2000 yilda AQShning San-Diegodagi Kaliforniya universiteti olimlari kompozit muhitdan foydalanib, salbiy sinishi mumkinligini isbotladilar. Viktor Veselagoning izlanishlari nafaqat yangi ilmiy yoʻnalishga asos soldi (qarang: D. Pandry, D. Smith. In Search of a Superlens), balki moddalarning elektrodinamikasini tavsiflovchi baʼzi fizik formulalarni ham aniqlashtirish imkonini berdi. Gap shundaki, darsliklarda keltirilgan bir qator formulalar faqat magnit bo'lmagan yaqinlashish deb ataladigan, ya'ni magnit o'tkazuvchanlik birlikka teng bo'lganda, ya'ni magnit bo'lmagan materiallarning alohida holati uchun qo'llaniladi. Ammo magnit o'tkazuvchanligi birlik yoki manfiydan farq qiladigan moddalar uchun boshqa, umumiyroq ifodalar kerak. Veselago ham bu holatni ko'rsatishni o'z ishining muhim natijasi deb biladi.

Kelajakka qadam

Bashoratli maqoladan so'ng, har 5-6 yilda mavzularni o'zgartirish tamoyiliga sodiq bo'lgan tadqiqotchi yangi sohalarga qiziqib qoldi: magnit suyuqliklar, fotomagnetizm, supero'tkazuvchanlik.

Umuman olganda, uning xotiralariga ko'ra, FIAN-IOFANda ishlagan davrida u "sovet olimi" standart yo'lini bosib o'tgan - aspirantdan fan doktori, kuchli magnit maydonlar kafedrasi mudirigacha. 1980-yillarning oxirlarida 5-7 turli yo'nalishlarda ishlagan 70 ga yaqin odam bor edi. Darhaqiqat, kafedra institut tarkibidagi kichik institut bo‘lib, shu davrda 30 dan ortiq fan nomzodlarini tayyorlagan.

Hozirda Viktor Georgievich nomidagi IOFANning kuchli magnit maydonlari bo'limining magnit materiallar laboratoriyasini boshqaradi. A. M. Proxorova. 2004 yilda "Manfiy sinishi ko'rsatkichli muhit elektrodinamikasining asoslari" turkum ishlari uchun akademik V.A. Foka.

Viktor Georgievich 40 yildan ortiq Moskva fizika-texnika institutida dars beradi. Hozirda u Fizika va energiya muammolari fakulteti amaliy fizika kafedrasi professori, oʻzi yaratgan “Tebranishlar fizikasi asoslari” kursidan dars beradi, shuningdek, umumiy fizika kafedrasida seminar va laboratoriya mashgʻulotlarini olib boradi.

V. G. Veselago kamdan-kam uchraydigan olim turiga mansub bo'lib, u ilmiy qiziqishlarning kengligi bilan ajralib turadi. U zo'r nazariyotchi va shu bilan birga eksperimental fizik, muhandis, kuchli magnit maydonlari bo'lgan qurilmalarning dizayneri. U MIPTda umumiy fizika fanini o‘qitishga katta hissa qo‘shgan va ko‘plab talabalarga ustozlik qilgan professor sifatida ham iste’dodlidir. Viktor Georgievichning shaxsiyatini juda jozibali qiladigan olimning ana shu xususiyatlari.

Butunjahon Internetga bostirib kirish

So'nggi 15 yil ichida fizik yana ikkita tarmoq loyihasining tashabbuskoriga aylanib, qiziqish doirasini o'zgartirdi, aniqrog'i kengaytirdi.

1993 yilda ilmiy-texnik jurnallar va xorijiy ilmiy elektron byulletenlarning mazmun jadvallarini olimlar o'rtasida tarqatuvchi Infomag xizmati tashkil etildi. Hammasi IOFAN birinchilardan bo'lib Internetga ulanganligi bilan boshlandi. O'zining birinchi elektron pochta manziliga ega bo'lgan Veselago fizika telekonferentsiyalariga qiziqib qoldi va axborot byulletenini ola boshladi. Fizika yangiliklari yangilanishi, uni hamkasblariga yubordi. Keyin u kontent va boshqa ilmiy jurnallarni tarqatishni tashkil qildi. Infomag xizmatiga ma'lumot taqdim etgan birinchi nashrlar Eksperimental va nazariy fizika jurnali (JETP), JETPga xatlar va Instruments and Experimental Techniques edi. Endi ro'yxat 150 dan ortiq narsalarni o'z ichiga oladi.

Infomagning muvaffaqiyati Veselagoning ikkinchi "aqliy bolasi" ni yaratishga yordam berdi - 1998 yilda o'z faoliyatini boshlagan Rossiyaning birinchi ko'p mavzuli "Rossiyada tadqiqot qilingan" elektron ilmiy jurnali. U faqat elektron shaklda nashr etiladi va u har yili tabiiy va gumanitar fanlar bo'yicha 250 ga yaqin maqolalarni nashr etadi.

Viktor Georgievichning so'zlariga ko'ra, Rossiyada elektron ilmiy nashrlarga bo'lgan ehtiyoj nafaqat mustaqil birliklar sifatida, balki bosma nashrlarning onlayn versiyalari doirasida ham juda katta. Rossiyada bir necha yuz akademik ilmiy va texnik jurnallar nashr etiladi, ammo ularning aksariyati elektron ko'rinishda mavjud emas, shuning uchun mahalliy mutaxassislar o'z hamkasblari ishining natijalariga tezkor kirish imkoniga ega emaslar, bu esa samarali va samarali ishlashga xalaqit beradi. olimlar o'rtasida tezkor muloqot.

Metamateriallar.

Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, 21-asrning boshlarida, San-Diegodagi Kaliforniya universitetidan Devid Smitning ishi va salbiy qiymatlari bilan tavsiflanishi mumkin bo'lgan kompozit material yaratilishi haqida xabar berganida, keskin o'zgarishlar yuz berdi. va shuning uchun ning salbiy qiymati. Ushbu material qat'iy geometrik tartibda joylashtirilgan ko'plab mis tayoq va halqalardan iborat edi (4-rasm, 5-rasm). Rodlar, aslida, elektr maydoniga javob beradigan antennalar va halqalar magnit maydonga javob beradigan antennalar edi. Ushbu elementlarning o'lchamlari va ular orasidagi masofa to'lqin uzunligidan kamroq edi va butun tizim umuman salbiy samarali qiymatlarga ega edi va .

Guruch. 4. San-Diego 2000 dan metamateriallar guruhi

Guruch. 5. 2001 yil San-Diegodagi metamateriallar guruhi

Ish ushbu kompozitsiyadan tayyorlangan prizma (6-rasm) uchun sinishi burchagini to'g'ridan-to'g'ri o'lchash natijasini taqdim etdi va bu tajriba salbiy da ushbu material uchun (2) munosabatning to'liq haqiqiyligini ko'rsatdi.

Guruch. 6. Eksperimental sozlash

Biz metamaterial deymiz, lekin bu nima? Metamateriallar - bu kompozitsion materiallar bo'lib, ularning xususiyatlari ularning tarkibiy qismlarining individual fizik xususiyatlari bilan emas, balki ularning mikro tuzilishi bilan belgilanadi. "Metamateriallar" atamasi, ayniqsa, tabiatda topilgan ob'ektlarga xos bo'lmagan xususiyatlarni ko'rsatadigan kompozitsiyalarga nisbatan qo'llaniladi.

Superlinzalar

Veselago salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan material bloki o'ziga xos xususiyatlarga ega bo'lgan linza sifatida harakat qilishini bashorat qilish uchun nurlarni kuzatishdan foydalangan. Ko'pchiligimiz ijobiy sinishi materiallardan tayyorlangan linzalarni yaxshi bilamiz - kameralar, lupalar, mikroskoplar va teleskoplarda. Ular fokus uzunligiga ega va tasvirning qaerda hosil bo'lishi fokus uzunligi va ob'ekt va linzalar orasidagi masofaning kombinatsiyasiga bog'liq. Tasvirlar odatda ob'ektdan o'lchamlari bo'yicha farqlanadi va linzalar linzalar o'qida joylashgan ob'ektlar uchun eng yaxshi ishlaydi. Veselago linzalari an'anaviylardan butunlay boshqacha ishlaydi: uning ishlashi ancha sodda, u faqat uning yonida joylashgan ob'ektlarga ta'sir qiladi va butun optik maydonni linzaning bir tomonidan boshqasiga o'tkazadi.

Veselago linzalari shunchalik g'ayrioddiyki, men uning qanchalik mukammal ishlashiga hayron bo'lishim kerak edi. Va xususan, Veselago linzalarining maksimal ruxsati qanday bo'lishi mumkin? Ijobiy sinishi indeksiga ega optik elementlar diffraktsiya chegarasi bilan cheklanadi - ular ob'ektdan aks ettirilgan yorug'lik to'lqin uzunligiga teng yoki undan kattaroq xususiyatlarni hal qila oladi.

Diffraktsiya mikroskop bilan ko'rish mumkin bo'lgan eng kichik ob'ekt yoki teleskop hal qila oladigan ikkita yulduz orasidagi eng kichik masofa kabi barcha tasvirlash tizimlariga yakuniy chegara qo'yadi.

Diffraktsiya, shuningdek, mikrochiplar (chiplar) ishlab chiqarishda optik litografiya jarayonida yaratilishi mumkin bo'lgan eng kichik detalni ham aniqlaydi. Xuddi shunday, diffraktsiya optik raqamli video diskda (DVD) saqlanishi yoki o'qilishi mumkin bo'lgan ma'lumotlar miqdorini cheklaydi. Diffraktsiya chegarasini chetlab o'tish usuli texnologiyani inqilob qilishi mumkin, bu optik litografiyaning nano o'lchov oralig'iga kirib borishiga va, ehtimol, optik disklarda saqlanadigan ma'lumotlar miqdorini yuzlab marta oshirishga imkon beradi.

Shunday qilib, hayotiy kristallarning soborlari
Vijdonli o'rgimchak nuri,
Qovurg'alarni ochish, ularni yana
Bitta to'plamga yig'iladi.
O. Mandelstam

Bolalar muammosi "Qaysi biri og'irroq, bir kilogramm paxta yoki bir kilogramm temir chig'anoqmi?" faqat sekin aqlli birinchi sinf o'quvchisini chalg'itadi. Mavzu bo'yicha mulohaza yuritish ancha qiziqroq: "Agar biz mayda maydalangan paxta va temir chig'anoqlarini ehtiyotkorlik bilan aralashtirsak, biz oladigan material qanday xususiyatlarga ega bo'ladi?" Bu intuitiv ravishda tushunarli: bu savolga javob berish uchun siz temir va paxta momig'ining xususiyatlarini eslab qolishingiz kerak, shundan so'ng siz ishonch bilan aytishingiz mumkinki, natijada olingan material, masalan, magnit va suv mavjudligiga ta'sir qiladi. Biroq, ko'p fazali materialning xususiyatlari har doim faqat uni tashkil etuvchi komponentlarning xususiyatlari bilan belgilanadimi? Men bu savolga ijobiy javob bermoqchiman, chunki elektr tokini o'tkazadigan dielektriklarning (masalan, talaş va ko'pikli sharlar) aralashmasini tasavvur qilish qiyin.

"Bu faqat ertaklarda sodir bo'ladi!" - birinchi sinf o'quvchisi bolalar ertaklaridagi ko'plab sehrgarlar va sehrgarlarni eslab, o'zini tiklashga harakat qiladi, ular har xil pashshalar, qurbaqa oyoqlari va ko'rshapalak qanotlarini aralashtirib, sehrli kukunlarni oladilar, ularning sehrli xususiyatlari, aniq aytganda. , chivin agariklari va qurbaqa oyoqlariga xos emas. Biroq, ajablanarlisi shundaki, zamonaviy fan juda oddiy materiallarning kombinatsiyasi xususiyatlari nafaqat ishlatiladigan tarkibiy qismlarga xos bo'lmagan, balki tabiatda topilmaydigan va tuyulishi mumkin bo'lgan ob'ektlarni yaratishga imkon beradigan misollarni biladi. birinchi qarashda , fizika qonunlari bilan taqiqlangan. "Bu mo''jiza!" - deydi birinchi sinf o'quvchisi. "Yo'q, bu metamateriallar!" - zamonaviy olim e'tiroz bildiradi. Va ikkalasi ham o'ziga xos tarzda to'g'ri bo'ladi, chunki klassik fan nuqtai nazaridan metamateriallar haqiqiy mo''jizalarni yaratishga qodir. Biroq, metamaterialni yaratish jarayoni ham sehrga o'xshaydi, chunki Metamaterialning tarkibiy qismlarini shunchaki aralashtirish etarli emas, ular to'g'ri tuzilgan bo'lishi kerak.

Metamateriallar - bu kompozitsion materiallar bo'lib, ularning xususiyatlari ularning tarkibiy qismlarining individual fizik xususiyatlari bilan emas, balki ularning mikro tuzilishi bilan belgilanadi. "Metamateriallar" atamasi, ayniqsa, tabiatda topilgan ob'ektlarga xos bo'lmagan xususiyatlarni ko'rsatadigan kompozitsiyalarga nisbatan qo'llaniladi.

So'nggi paytlarda eng qizg'in muhokama qilinadigan metamaterial turlaridan biri bu salbiy sinishi indeksiga ega ob'ektlardir. Maktab fizikasi kursidan ma'lumki, muhitning sindirish ko'rsatkichi ( n) - muhitdagi elektromagnit nurlanishning faza tezligining necha martaligini ko'rsatadigan miqdor ( V) vakuumdagi yorug'lik tezligidan kamroq ( c): n=c/V. Vakuumning sindirish ko'rsatkichi 1 ga teng (aslida bu ta'rifdan kelib chiqadi), aksariyat optik vositalar uchun esa bu kattaroqdir. Masalan, oddiy silikat oynaning sindirish ko'rsatkichi 1,5 ga teng, ya'ni unda yorug'lik vakuumdagiga qaraganda 1,5 marta kamroq tezlikda tarqaladi. Shuni ta'kidlash kerakki, elektromagnit nurlanishning to'lqin uzunligiga qarab, qiymat n farq qilishi mumkin.

Ko'pincha materialning sinishi ko'rsatkichi ikkita optik vosita orasidagi interfeysda yorug'lik sinishi ta'sirini hisobga olgan holda esga olinadi. Bu hodisa Snell qonuni bilan tavsiflanadi:

n 1 sina = n 2 sinb,

Bu yerda a - sindirish ko'rsatkichi n 1 bo'lgan muhitdan kelayotgan yorug'likning tushish burchagi, b - sinish ko'rsatkichi n 2 bo'lgan muhitdagi yorug'likning sinish burchagi.

Tabiatda topilishi mumkin bo'lgan barcha muhitlar uchun tushayotgan va singan yorug'lik nurlari sinish nuqtasida muhitlar orasidagi interfeysga qayta tiklangan normalning qarama-qarshi tomonlarida joylashgan (1a-rasm). Biroq, Snell qonuniga rasman n 2 ni almashtirsak<0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

Salbiy sindirish ko'rsatkichiga ega bo'lgan noyob materiallar mavjudligining nazariy imkoniyati deyarli 40 yil oldin sovet fizigi V. Veselago tomonidan ta'kidlangan. Gap shundaki, sindirish ko'rsatkichi moddaning yana ikkita asosiy xarakteristikasi, dielektrik o'tkazuvchanligi e va magnit o'tkazuvchanligi m bilan oddiy bog'liqlik bilan bog'liq: n 2 = e·m. Ushbu tenglama n ning ijobiy va salbiy qiymatlari bilan qanoatlantirilishiga qaramay, olimlar uzoq vaqt davomida ikkinchisining jismoniy ma'nosiga ishonishdan bosh tortdilar - Veselago n ekanligini ko'rsatmaguncha.< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Salbiy dielektrik o'tkazuvchanligi bo'lgan tabiiy materiallar yaxshi ma'lum - plazma chastotasidan yuqori chastotalarda har qanday metall (metall shaffof bo'ladi). Bu holda e< 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 .

Shunday qilib, elektromagnit nurlanishning elektr va magnit komponentlariga salbiy javob beradigan tizimlar mumkin. Devid Smit boshchiligidagi amerikalik tadqiqotchilar 2000 yilda birinchi bo'lib ikkala tizimni bitta materialda birlashtirdilar. Yaratilgan metamaterial e uchun mas'ul bo'lgan metall tayoqlardan iborat edi< 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.

Fizika nuqtai nazaridan, salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan metamateriallar an'anaviy materiallarning antipodlari hisoblanadi. Salbiy sinishi indeksi bo'lsa, elektromagnit nurlanishning faza tezligi teskari bo'ladi; Doppler siljishi teskari yo'nalishda sodir bo'ladi; Harakatlanuvchi zaryadlangan zarrachadan Cherenkov nurlanishi oldinga emas, balki orqaga qarab sodir bo'ladi; konvergent linzalar divergent bo'lib qoladi va aksincha ... Va bularning barchasi salbiy sinishi indeksiga ega bo'lgan metamateriallar uchun mumkin bo'lgan ajoyib hodisalarning faqat kichik bir qismidir. Bunday materiallardan amaliy foydalanish, birinchi navbatda, ular asosida teragerts optikasini yaratish imkoniyati bilan bog'liq bo'lib, bu, o'z navbatida, meteorologiya va okeanografiyaning rivojlanishiga, yangi xususiyatlarga ega va har qanday ob-havoga ega radarlarning paydo bo'lishiga olib keladi. navigatsiya asboblari, qismlar sifatini masofaviy diagnostika qilish uchun asboblar va kiyim ostidagi qurollarni aniqlash imkonini beruvchi xavfsizlik tizimlari, shuningdek noyob tibbiy asboblar.

Adabiyot

D.R. Smit, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Ne'mat-Nasser, S. Shults, bir vaqtning o'zida salbiy o'tkazuvchanlik va o'tkazuvchanlikka ega bo'lgan kompozit vosita, 84-sonli ko'rib chiqish xatlari (2000) 4184.