Метаматериалы Природные материалы хорошо изучены и

Метаматериалы
Природные материалы хорошо изучены и давно используются. Искусственное изменение
структуры материалов на наноуровне позволяет получить у модифицированного объекта новые
свойства, отсутствующие у природных объектов. К таким искусственно построенным материалам с
новыми свойствами относятся так называемые метаматериалы. Метаматериал — композиционный
материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов,
сколько искусственно созданной периодической структурой из макроскопических элементов,
обладающих произвольными размерами и формой. Искусственная периодическая структура
модифицирует диэлектрическую и магнитную проницаемости исходного материала. Метаматериалы
обладают уникальными электрофизическими, радиофизическими и оптическими свойствами, отсутствующими в природных материалах.
Необычайные их свойства обусловлены резонансным взаимодействием электромагнитной
волны, распространяющейся в гетерогенной среде, наполненной включениями, которые имеют
специальную форму, обеспечивающую резонансное возбуждение токов во включениях.
В отличие от обычных материалов строительными блоками метаматериалов являются не
атомы и молекулы, а более крупные объекты, представляющие собой электромагнитные резонаторы,
обычно в виде металлических полосок, спиралей, разорванных колец. Размеры резонаторов и
расстояния между ними остаются много меньше длины волны излучения, поэтому массивы таких
резонаторов воспринимаются излучением как сплошная электромагнитная среда с определенными
величинами эффективной диэлектрической и магнитной
проницаемости и, соответственно,
коэффициента преломления. Изменяя форму, размеры, взаимное расположение резонаторов, можно
направленно формировать свойства метаматериалов, более того, изменяя условия резонанса,
включая или выключая резонаторы, можно динамично перестраивать свойства.
Спектр электромагнитных метаматериалов, разрабатываемых в настоящее время огромен: это
и радиочастотные, СВЧ, терагерцовые, оптические метаматериалы; по функциональным свойствам
это метаматериалы с экстремально высокими или
низкими значениями диэлектрической и
магнитной проницаемости, магнитоэлектрические метаматериалы, метаматериалы с отрицательным
и нулевым показателем преломления, в том числе перестраиваемые, активные, нелинейные,
высокоанизотропные и др.
Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется
электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. В терагерцовой области, для
которой практически отсутствуют устройства управления излучением, с помощью метаматериалов
уже решены многие проблемы. Используя метаматериалы можно не только существенно улучшить
параметры известных электромагнитных приборов, таких как фазированные антенные решетки,
селективные поглотители излучения, солнечные батареи, но и создать принципиально новые
приборы: от сверхлинз с разрешением много меньшим длины волны излучения до экранов
невидимости.
Особое внимание привлекают метаматериалы с отрицательным показателем преломления. В
своей
основополагающей
работе
В.Г.
Веселаго
показал,
что
рефракция
-
отклонение
электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред - изменяется в материалах с
отрицательным коэффициентом преломления. В условиях, когда оба материала имеют одинаковый
знак коэффициента преломления, волна, пересекая границу раздела, появляется на противоположной
стороне линии, проходящей перпендикулярно к этой границе (нормаль к поверхности). Однако, если
один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой — отрицательный, волна
будет появляться на той же стороне нормали, с которой она подходила к границе раздела.
В 1990 г. вышла монография "Электрофизические свойства перколяционных систем", в
которой описывались свойства композита, наполненного отрезками тонких проволок, и было
показано, что у таких материалов существуют глубокие отрицательные минимумы диэлектрической
проницаемости в микроволновой области. Эти минимумы возникают за счёт возбуждения токовых
резонансов в диполях, которыми являются отрезки микропроводов. Вследствие инерции электронов
при частотах, несколько больших резонансной, сдвиг по фазе по отношению к возбуждающему
излучению может достигать полпериода, что приводит к соответствующему фазовому сдвигу между
величинами напряжённости электромагнитного поля падающей волны и электрической индукции
композита, а также к возникновению отрицательных значений ε'.
Физика сред с отрицательным коэффициентом преломления очень богата и необычна: сдвиг
частоты света, излучаемого удаляющимся объектом происходит не в “красную”, а в “синюю
“область (обращенный эффекта Доплера), наблюдается обращенный эффект Вавилова – Черенкова,
отрицательная фазовая скорость и т.д. Теоретические основы электромагнитных метаматериалов с
отрицательным коэффициентом преломления были заложены российскими учеными, в частности
профессором В. Г. Веселаго, который более 40 лет назад предположил существование
метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления и описал концепцию сверхлинз.
Рис. 1. Структура (a) — сетка тонких металлических проволочек. Если электрическое поле
параллельно осям проволочек, то в проволочках возбуждаются электрические дипольные моменты.
Структура (b) — кольцевые разомкнутые резонаторы. На частотах
выше резонансной частоты эффективная магнитная проницаемость такой структуры отрицательна.
В настоящее время значительные усилия в мире направлены на создание терагерцовых,
инфракрасных и оптических метаматериалов и систем, для которых требуются массивы периодично
расположенных резонаторов микронных и нанометровых размеров. Большинство практических
применений - от экранов невидимости до сверхлинз и поляризаторов требуют
создания
метаматериала с прецизионными трехмерными элементами. Впервые созданы изотропные,
анизотропные киральные, магнитные, гибкие и не гибкие терагерцовые метаматериалы с
прецизионными трехмерными резонаторами. Продолжается разработка технологии метаматериалов
инфракрасного диапазона. Именно высокая точность и объемный характер элементов-резонаторов в
виде микроспиралей позволили создать метаматериалы, обладающие гигантской оптической
активностью. При толщине слоя спиралей в десять раз меньшей длины волны он может вращать
плоскость поляризации проходящего через него электромагнитного излучения на 36º и проявлять
отрицательный
коэффициент
преломления.
Разработанная
технология
самоформирования
трехмерных наноструктур позволяет массовым образом создавать резонаторы с размерами от сотен
микрон до нескольких нанометров, обеспечивая сравнительно низкую стоимость создаваемых
метаматериалов.
В последние годы к классу композитных метаматериалов стали относить и фотонные кристаллы. Фотонными кристаллами называют такие искусственные среды, в которых благодаря периодическому изменению диэлектрических параметров (имеется в виду показатель преломления)
свойства распространяющихся электромагнитных волн (света) становятся аналогичными свойствам
электронов, распространяющихся в реальных кристаллах. Их необычные свойства обусловлены
явлениями интерференции, возникающими в периодических структурах, из которых составлен
композитный материал. Характерный размер элементарной ячейки фотонного кристалла соответствует длине электромагнитной волны, характерный размер резонансных включений много
меньше длины волны. Необычные явления, отмеченные в различных метаматериалах, схожи. В
любом случае по своим свойствам - это сверхматериалы, так что приставка "мета" (греч. meta — вне,
за пределами) вполне оправданна.
Термин "фотонный кристалл" подчёркивает сходство фотонов и электронов. Квантование
свойств фотонов приводит к тому, что в спектре электромагнитной волны, распространяющейся в
фотонном кристалле, могут возникать запрещённые зоны, в которых плотность состояний фотонов
равна нулю. Трёхмерный фотонный кристалл с абсолютной запрещённой зоной был впервые
реализован для электромагнитных волн СВЧ-диапазона. Существование абсолютной запрещённой
зоны означает, что электромагнитные волны в определённой полосе частот не могут
распространяться в данном кристалле в любом направлении, так как плотность состояния фотонов,
энергия которых соответствует этой полосе частот, равна нулю в любой точке кристалла. Как и
реальные кристаллы, фотонные по наличию и свойствам запрещённой зоны могут представлять
собой проводники, полупроводники, изоляторы и сверхпроводники. Если в запрещённой зоне
фотонного кристалла существуют "дефекты", то возможен "захват" фотона "дефектом", аналогично
тому, как происходит захват электрона или дырки соответствующей примесью, находящейся в запрещённой зоне полупроводника. Такие распространяющиеся волны с энергией, расположенной внутри
запрещённой зоны, называются дефектными модами. Применения фотонных кристаллов достаточно
многочисленны - оптические изоляторы, оптические вентили, переключатели, мультиплексоры и т.д.