Перегляд вихідного коду сторінки Метаматеріал

'''Метаматеріа́л'''&nbsp;— в загальному випадку [[композит]] який має властивості, що не зустрічаються у [[природа|природі]], в частковому випадку&nbsp;— водночас від'ємні [[діелектрична проникність|діелектричну]] й [[магнітна проникність|магнітну проникності]]. Метаматеріали &nbsp;– це штучно сформовані і особливим чином структуровані [[матеріал|середовища]], які мають електромагнітні властивості, що виходять за межі властивостей компонентів, з яких вони складаються. Метаматеріали синтезують шляхом введення в природний матеріал різних періодичних структур з найрізноманітнішими [[геометрія|геометричними]] формами, які модифікують [[діелектрична проникність|діелектричну]] і [[магнітна проникність|магнітну]] сприйнятливість матеріалу.

== Загальна інформація ==

=== Мононегативні матеріали ===

[[Файл:МюНегативний матеріал.JPG|thumb|400px|right|Подвійний кільцевий резонатор.]]

У природі існують середовища, які можуть демонструвати від'ємні значення діелектричної ([[плазма (агрегатний стан)|плазма]]) або магнітної ([[ферит]]и) проникностей при деяких умовах і деякому діапазоні частот. Такі середовища будуть непрозорими для [[електромагнітне випромінювання|електромагнітного випромінювання]] в тому випадку, коли характерна товщина [[матеріал]]у буде більша за товщину [[скін-шар]]у. Непрозорість можна пояснити за допомогою такого співвідношення для хвильового числа, вираженого через [[частота|частоту]] ω, швидкість поширення електромагнітної хвилі в вакуумі с, діелектричну ε і магнітну μ проникності:

<math>k = \frac{\omega}{c} \sqrt{\epsilon \mu}</math>

Оскільки в цій формулі ε або μ від'ємні, то хвильовий [[вектор]] є чисто уявним, що і означає затухання електромагнітних хвиль в такому середовищі.
У числі штучних середовищ з від’ємним ε однією з перших була описана система з тонких металевих [[провідник]]ів, які розташовані паралельно.
Основні структури, які використовуються для отримання негативного значення μ, на сьогоднішній день включають тонкі вкладені металеві [[циліндр]]и, рулонні структури типу «рулет», вкладені розрізані кільця, Ω-подібні і прямокутні рамки, подвійні кільцеві резонатори і т. д. Подвійний кільцевий резонатор (split ring resonator, SRR) &nbsp;– дуже вдала структура, в якій ємність між двома кільцями компенсується їхньою індуктивністю. Змінне [[магнітне поле]] з вектором напруженості, перпендикулярним поверхні кілець, викликає потоки, які в залежності від резонансних властивостей структури, породжують вторинне магнітне поле, яке підсилює початкове або протидіє йому, що приводить до додатних або від’ємних ефективних значень μ.
 
=== Припущення Веселаго ===
{{main|{{iw|Матеріал з негативним показником заломлення|||Negative-index metamaterial}} }}
У [[1967]] році радянський фізик [[Веселаго Віктор Георгійович|Віктор Веселаго]] передбачив існування матеріалу з негативним [[показник заломлення|показником заломлення]]<ref>{{статья|автор=Веселаго, В. Г.|заглавие=Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и μ|ссылка=http://ufn.ru/ru/articles/1967/7/d/|издание=[[Успехи физических наук|УФН]]|год=1967|месяц=7|том=92|страницы=517–526|doi=10.3367/UFNr.0092.196707d.0517}}</ref><ref name="slyusarmeta">Slyusar V.I. Metamaterials on antenna solutions.// 7th International Conference on Antenna Theory and Techniques ICATT’09, Lviv, Ukraine, October 6–9, 2009.  pp. 19–24 [http://www.slyusar.kiev.ua/019_024_ICATT_2009.pdf] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210427232421/http://www.slyusar.kiev.ua/019_024_ICATT_2009.pdf|date=27 квітня 2021}}</ref>. Його припущення засновувалося на такому логічному прийомі: якщо зробити від'ємними діелектричну і магнітну проникність в формулах для хвильового числа і показника заломлення (ці величини є прямо пропорційними), то це не приведе до [[комплексні числа|уявних]] значень.
Формула для показника заломлення:

<math>n = \sqrt{\epsilon \mu}</math>

Оскільки результатом операції взяття [[квадратний корінь|квадратного кореня]] є два числа з різними знаками, то Веселаго запропонував у випадку негативних значень ε і μ брати від'ємні значення показника заломлення і хвильового числа.

=== Початок активних досліджень ===
Хоча теоретичне дослідження деяких характерних для метаматеріалів явищ можна знайти ще в наукових роботах початку XX століття, але активні експериментальні дослідження розпочалися лише в кінці минулого сторіччя. Перший матеріал з негативним значенням показника заломлення був отриманий в 2000 році науковою групою Девіда Сміта з Каліфорнійського університету ([[Сан-Дієго]], [[Сполучені Штати Америки|США]]).<ref name=sly1>{{статья|автор=Слюсар, Вадим|заглавие=Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы|ссылка=http://www.slyusar.kiev.ua/Metamat_p1.pdf|издание=Электроника: наука, технология, бизнес|год=2009|номер=7|страницы=70–79}}</ref><ref name=sly2>{{статья|автор=Слюсар, Вадим|заглавие=Метаматериалы в антенной технике: основные принципы и результаты|ссылка=http://www.slyusar.kiev.ua/Slusar_Last_Mile_3_4_10.pdf|издание=Первая миля. Last Mile (Приложение к журналу «Электроника: Наука, Технология, Бизнес»)|год=2010|номер=3-4|страницы=44–60}}</ref>

=== Бінегативні середовища ===
Неважко здогадатись, що для отримання негативного значення показника заломлення потрібно поєднати дві запропоновані вище періодичні системи, які будуть забезпечувати ε < 0 і μ < 0 кожна окремо (наприклад, система металевих провідників і подвійних кільцевих резонаторів). Вважається, що електрична і магнітна сприйнятливість результуючого середовища є суперпозицією електричної і магнітної сприйнятливості вищезазначених ізольованих систем. Оскільки елементи обох систем розміщуються дуже близько в метаматеріалі, тому вони можуть взаємодіяти між собою. Системи, що забезпечують негативну питому провідність і негативну проникність, потрібно розмістити таким чином, щоб взаємодія між їхніми елементами через їхні квазістатичні поля мінімізована. В системі металевих провідників і подвійних кільцевих резонаторів це забезпечується таким чином: магнітній потік, створений дротом на його найближчому подвійному кільцевому резонаторі, зникає, таким чином, що на індуктивність дроту не впливає резонатор. Отже, якщо виконується умова мінімізації квазістатичної взаємодії між полями складових метаструктури, то можна застосувати принцип суперпозиції і робити розрахунок для кожної періодичної структури окремо.
  
[[Файл:metarefraction.svg|thumb|left|Променезаломлення на межі бінегативного і звичайного середовищ]]

== Властивості ==

* Негативний (лівобічний) [[показник заломлення]]. В метаматеріалах присутнє негативне променезаломлення. Для виконується [[закон Снеліуса]].

[[Файл:Випромінювання Черенкова.JPG||thumb|400px|right|Випромінювання Черенкова у випадку: а) звичайного середовища; б) бінегативного.]]

[[Файл:Зміщення Гуса-Хенхена.JPG||thumb|400px|right|Зміщення Гуса-Хенхена у випадку: а) звичайних середовищ; б) бінегативного і звичаного.]]
 
* Метаматеріали є дисперсійними середовищами. Цей факт випливає з того факту, що густина електромагнітної енергії не може бути від'ємною.
Густина електромагнітної енергії в середовищі без [[дисперсія|дисперсії]]:

<math>W = \frac {1}{2} (\epsilon E^2 + \mu H^2)</math>

де Е - [[напруженість електричного поля]];
Н - [[напруженість магнітного поля]].

Але, оскільки ε і μ від'ємні, то і густина енергії негативна, що є невірним.

Густина електромагнітної енергії в середовищі з дисперсією:

<math>W = \frac {1}{2} ( \frac {\partial \epsilon (\omega) \omega} {\partial \omega} E^2 + \frac {\partial \mu (\omega) \omega} {\partial \omega} H^2)</math>

Звичайно, написані вище похідні повинні бути додатними.

* Зворотні хвилі. [[Хвильовий вектор]] і [[вектор Умова-Пойнтінга]] напрямлені в протилежні сторони. Або, що те саме, [[вектор]]и [[фазова швидкість|фазової]] і [[групова швидкість|групової]] [[швидкість|швидкостей]] мають протилежні знаки.
* Обернений [[ефект Доплера]]. Якщо записати зсув частоти при ефекті Доплера в такому вигляді:

<math>\triangle \omega = \omega_0 \frac {nv}{c} </math>,

то видно, що він пропорційний показнику заломлення, який в метаматеріалах від'ємний.

* Зворотне [[черенковське випромінювання|випромінювання Черенкова]].
* Негативне зміщення Гуса-Хенхена. Сам ефект полягає в поперечному зсуві (відносно траєкторії поширення хвильового пучка) лінійно поляризованого хвильового пучка на границі двох середовищ при [[повне внутрішнє відбиття|повному внутрішньому відбитті]].

== Застосування ==

* Ось лише декілька прикладів використання при конструюванні конструкцій електрично малих [[антена|антен]] (ЕМА)<ref name=sly4>{{статья|автор=Вадим Слюсар|заглавие=60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги|ссылка=http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_789_918.pdf|издание=Электроника: наука, технология, бизнес|год=2006|номер=7|страницы=10–19}}</ref>:
** для виготовлення підкладинок в друкованих [[антена]]х для досягнення широкосмуговості і зменшення розмірів випромінювачів (μ-негативні та бінегативні матеріали)<ref name=sly1 /><ref name=sly2 /><ref name=sly3>{{статья|автор=Вадим Слюсар|заглавие=Метаматериалы в конструкциях антенн|ссылка=http://slyusar.kiev.ua/metamat_p2.pdf|издание=Электроника: наука, технология, бизнес|год=2009|номер=8|страницы=66–70}}</ref>;
** компенсація реактивності ЕМА в широкій смузі частот (ε-негативні та бінегативні матеріали);
** формування вузьких діаграм спрямованості елементарними випромінювачами, що занурені в ε-негативні або бінегативні матеріали <ref name=sly3 />.
* ε-негативні метаматеріали вже встигли себе зарекомендувати при моделюванні плазми.
* μ-негативні матеріали використовуються для маскування об’єктів (для запобігання виявлення засобами радіорозвідки в деякому діапазоні частот), створення загороджувальних [[фільтр]]ів з частотними характеристиками, що близькі до ідеальних (наприклад, прямокутна [[амплітудно-частотна характеристика]]) та з широкими можливостями для перестройки таких фільтрів.
* Бінегативні метаматеріали в оптичному діапазоні можуть дозволити подолати [[дифракція|дифракційну]] межу розділення звичайної [[оптика|оптики]], що дасть змогу покращити якість отримуваного [[зображення]] за рахунок підсилення ближніх (неоднорідних) хвиль, які відповідають за переніс інформації про деталі, розміри яких значно менші за [[довжина хвилі|довжину хвилі]].

== Див. також ==
* [[Фотонний кристал]]

== Примітки ==
{{reflist}}

== Посилання ==
* [https://web.archive.org/web/20121225074629/http://www.metamaterials.net/ Метаматеріал Інтернет-портал]
* [http://www.elsevier.com/locate/metmat/ Journal "Metamaterials" published by Elsevier (homepage)]
* [http://www.sciencedirect.com/science/journal/18731988 Online articles: "Metamaterials" in ScienceDirect]
* [http://feeds.aps.org/rss/topics/metamaterials.xml RSS feed for Metamaterials articles published in Physical Review Journals]
* [https://web.archive.org/web/20121225074629/http://www.metamaterials.net/ MetaMaterials.net Web Group]
* [http://metamorphose-VI.org Virtual Institute for Artificial Electromagnetic Materials and Metamaterials ("METAMORPHOSE VI AISBL")]
* [http://metamorphose-EU.org European Network of Excellence "METAMORPHOSE" on Metamaterials]

{{Перспективні технології|виробництво=так|матеріали=так|роботи=так|питання=так}}
{{Мета-префікс}}
{{Бібліоінформація}}

[[Категорія:Матеріалознавство]]
[[Категорія:Фотоніка]]