Метаматериалы

Революционные изменения в технологии производства и методологии проектирования микроэлектронных устройств позволили достичь очень высокой плотности упаковки элементов и компактных размеров изделий радиоэлектроники в целом. Разработка современных радиотехнических систем, используемых в технике радиосвязи, радиолокации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники требует новых принципов в построении функциональных устройств и антенн, уменьшения их массогабаритных параметров одновременно с обеспечением широкополосности, надежности и многофункциональности. Удовлетворение таким требованиям невозможно без реализации новых физических явлений, материалов и технологий. В последние годы разработчиков СВЧ устройств и антенн всё больше привлекают новые материалы и среды с необычными электродинамическими свойствами. Это так называемые метаматериалы, включая киральные и перколляционные среды, оптомагнетики, фотонные и электронные кристаллы. Материальные среды являются композитными, обладающими дисперсионными и анизотропными в электромагнитном смысле свойствами.

Цель работы – характеристика метаматериалов, история возникновения и классификация.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 

- дать определение метаматериалов;

- раскрыть история возникновения и применения метаматерилов;

-  выявить виды метаматериалов.

 

Метаматериалы – композитные материалы, электромагнитные и акустические (звуковые) свойства которых не встречаются в природе и сложнодостижимы технологически.

Метаматериал – искусственное вещество, способное так взаимодействовать с электромагнитными волнами, как не могут природные материалы. Приставка «мета» в данном случае подчёркивает, что эти композитные материалы в целом обладают электромагнитными свойствами, не присущими ни одному из составных элементов.

Метаматериалы (от греч. – за пределами, сверх) – искусственно структурированные материалы с необычными свойствами, которые отсутствуют у природных материалов. В настоящее время разрабатываются электромагнитные, акустические, механические, сейсмические и квантовые метаматериалы.

Применение электромагнитных метаматериалов с отрицательным -коэффициентом преломления уже позволило улучшить параметры антенн, фазированных антенных решеток, поляризаторов, фильтров, поглощающих покрытий – «черных дыр», неотражающих покрытий. Метаматериалы используются для разработки принципиально новых устройств – сверхлинз и экранов невидимости. 

Метаматериалы – это искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. Первые работы в этом направлении относятся еще к 19 веку. 

В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провел первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривленной конфигурации. 

В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду. 

В 1946–1948 годах Уинстон Е. Кок впервые создал микроволновые линзы, используя проводящие сферы, диски и периодически расположенные металлические полоски, фактически образовавшие искусственную среду со специфичным по величине эффективным индексом преломления. С тех пор сложные искусственные материалы стали предметом изучения для многих исследователей во всем мире. 

В последние годы новые понятия и концепции в синтезе метаматериалов способствовали созданию структур, имитирующих электромагнитные свойства известных веществ или обладающих качественно новыми функциями. Приставка "мета" переводится с греческого как "вне", что позволяет трактовать термин "метаматериалы" как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов. Одно из первых упоминаний этого термина прозвучало в 1999 году в выпуске новостей форума промышленной и прикладной физики (FIAP) Американского физического сообщества (APS). 

По степени преломления метаматериалы делятся на:

- Одномерные – в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении. Такие метаматериалы состоят из параллельных друг другу слоев различных материалов с разными коэффициентами преломления и могут проявлять свои свойства в одном пространственном направлении, перпендикулярном слоям.

- Двухмерные - в которых коэффициент преломления периодически изменяется в двух пространственных направлениях. Метаматериал может быть создан прямоугольными областями с коэффициентом преломления n1, которые находятся в среде с коэффициентом преломления n1. При этом области с коэффициентом преломления n1 упорядочены в двумерной кубической решетке. Такие метаматериалы могут проявлять свои свойства в двух пространственных направлениях. И форма областей с коэффициентом преломления n1 не ограничивается прямоугольниками, а может быть любой (окружности, эллипсы, произвольная и т.д.). Кристаллическая решётка, в которой упорядочены эти области, также может быть другой, а не только кубической, как на приведённом рисунке.

- Трехмерные - в которых коэффициент преломления периодически изменяется в трёх пространственных направлениях. Такие метаматериалы могут проявлять свои свойства в трёх пространственных направлениях, и можно их представить как массив объёмных областей (сфер, кубов и т. д.), упорядоченных в трёхмерной кристаллической решётке (рисунок).

Метаматериал – искусственное вещество, способное так взаимодействовать с электромагнитными волнами, как не могут природные материалы. Приставка «мета» в данном случае подчёркивает, что эти композитные материалы в целом обладают электромагнитными свойствами, не присущими ни одному из составных элементов; искусственно структурированные материалы с необычными свойствами, которые отсутствуют у природных материалов.

Первые работы в этом направлении относятся еще к 19 веку. Теоретические основы электромагнитных метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления были заложены российскими учеными и, прежде всего, профессором В. Г. Веселаго в 1967 году, предположил существование метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления и описал концепцию сверхлинз.

По степени преломления метаматериалы делятся на: одномерные, двухмерные   и трехмерныые.

Как и электрические среды, в зависимости от ширины запрещённых и разрешённых зон, метаматериалы можно разделить на: проводники, полупроводники, диэлектрики, сверхпроводники.

Метаматериалы могут создаваться с разными электрическими свойствами. Поэтому их делят по их относительной проницаемости: проницаемости отрицательные, проницаемости положительные, высокоомные поверхности, материалы смешанного типа, материал имеет проницаемость равной нулю.

Различают резонансные и нерезонансные метаматериалы.