Metamaterial

Un metamaterial (ou matériel de méta de ) est un matériel qui gagne ses propriétés de sa structure plutôt que directement de sa composition. Pour distinguer des metamaterials d'autres matériaux composés du , l'étiquette metamaterial du est habituellement employée pour un matériel qui a les propriétés peu communes. De telles propriétés peu communes pourraient être un indice de réfraction négatif (qui n'est pas trouvé en matériaux naturels). La limite a été inventée en 1999 par Rodger M. Walser de l'Université du Texas de à Austin , et il a défini des metamaterials comme :

Composés macroscopiques ayant un synthétique, tridimensionnel, architecture cellulaire périodique conçue pour produire une combinaison optimisée, non disponible en nature, du deux réponses ou plus à l'excitation spécifique.

Les premiers metamaterials ont été développés par W. Kock vers la fin des années 40 avec des antennes de métal-objectif et des objectifs métalliques de retard.

Metamaterials électromagnétiques

Metamaterials sont d'importance particulière dans l'électromagnétisme (particulièrement systeme optique de et le Photonics ). Ils se montrent pour une série d'applications optiques et de de la micro-onde telles que de nouveaux types des objectifs des filtres passe-bande des modulateurs des steerers de faisceau de , des coupleurs à micro-ondes de et de radômes prometteur d'antenne de

Pour que sa structure affecte les ondes électromagnétiques électromagnétiques une nécessité metamaterial ont les dispositifs structuraux au moins aussi petits que la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique il agit l'un sur l'autre avec. Par exemple, si un metamaterial est de se comporter comme matériel homogène exactement décrit par un indice de réfraction efficace , les tailles de dispositif doivent être beaucoup plus petites que la longueur d'onde. Pour la lumière visible , qui a des longueurs d'onde de plus moins d'un micromètre typiquement (560 nanomètres pour la lumière du soleil), les structures sont généralement demi ou moins que la moitié de cette taille ; c., plus moins de 280 nanometres. Pour le rayonnement de la micro-onde , les structures doivent seulement être sur l'ordre d'un décimètre . Un exemple d'une lumière visible metamaterial est l'opale , qui se compose de sphères minuscules de la cristobalite (silice métastable de ). Les metamaterials de fréquence de la micro-onde sont presque toujours artificiels, construit en tant que choix d'éléments current-conducting (tels que des boucles de fil) qui ont le approprié des caractéristiques capacitives inductives de et .

Metamaterials se composent habituellement des structures périodiques, et ont ainsi beaucoup de similitudes avec les cristaux photoniques et les surfaces sélectives de fréquence de . Cependant, ceux-ci sont habituellement considérés distincts des metamaterials, pendant que leurs dispositifs sont de taille semblable à la longueur d'onde à laquelle ils fonctionnent, et ne peuvent pas être rapprochés ainsi comme matériel homogène.

Indice de réfraction négatif

Les chercheurs de raison principale ont étudié des metamaterials est la possibilité pour créer une structure avec un indice de réfraction négatif , puisque cette propriété n'est trouvée en aucun matériel naturel. Presque tous les matériaux produits dans le systeme optique, tel que le verre ou l'eau , ont des valeurs positives pour le $\ epsilon$ et $de la perméabilité à \ mu$ . Cependant, beaucoup de métaux (tels qu'argent et or ) ont le $négatif \ epsilon$ aux longueurs d'onde évidentes. Un matériel ayant l'un ou l'autre (mais pas tous les deux) $\ epsilon$ ou négatif du $\ mu$ est le opaque au rayonnement électromagnétique (voir le plasmon extérieur pour plus de détails).

Bien que les propriétés optiques d'un matériel transparent soient entièrement spécifiées par le $de paramètres \ epsilon$ et le $\ mu$ , dans la pratique l'indice de réfraction $N$ de est employé souvent. $N$ peut être déterminé du ${\ epsilon \ MU}$ . Tous les matériaux transparents connus possèdent des valeurs positives pour le $\ epsilon$ et le $\ mu$ . Par convention la racine carrée positive est employée pour $N$ .

Cependant, quelques metamaterials machinés ont le $\ epsilon <0$ et le $\ mu<0$ ; parce que le $de produit \ epsilon \ mu$ est positif, $N$ est le vrai . Dans de telles circonstances, il est nécessaire de prendre la racine carrée négative pour $N$ . Le Victor Veselago de physicien a montré que de telles substances mettent en boîte le transmettent léger.

Metamaterials avec $N$ négatif ont de nombreuses propriétés effrayantes :
la loi ( $N_1 \ péché \ theta_1=N_2 \ péché \ theta_2$ ) de Snell s'applique toujours, mais car $N_2$ est négatif, les rayons seront réfractés sur le le même côté de de la normale sur écrire le matériel.
L'effet Doppler De est renversé : c'est-à-dire, une source lumineuse se déplaçant vers un observateur semble réduire sa fréquence.
Le rayonnement de Cherenkov de montre l'autre chemin.
Le vecteur temps-fait la moyenne de Poynting est le antiparallèle à la vitesse de phase . Ceci signifie qu'à la différence d'un matériel droitier normal, les fronts d'onde se déplacent la direction opposée à l'écoulement de l'énergie.

Pour les ondes planes propageant dans de tels metamaterials, le champ électrique , le champ magnétique et le Poynting dirigent (ou vitesse de groupe ) suivent une règle à gauche , de ce fait provoquant les matériaux gauchers nommés (de méta). Il convient noter que les limites gauchères et droitières peuvent également surgir dans l'étude des médias chiraux du , mais leur utilisation dans ce contexte est indépendante de cet effet.

L'effet de la réfraction négative est analogue à la propagation des ondes dans une ligne de transmission gauchère , et de telles structures ont été employées pour vérifier certains des effets décrits ici.

Développement et applications

Les premiers metamaterials ont été développés par W. Kock vers la fin des années 40 antennes de Métal-objectif, COLÈRE Proc., 34 novembre 1946, Pp. 828-836 et Objectifs métalliques de retard, Bell., 27, janvier 1948, Pp.

Les propriétés uniques des metamaterials ont été vérifiées par analyse double alternance dans le et autres (2001) de Caloz. Cependant, les structures de main gauche conçues jusqu'à 2002 étaient impraticables pour des applications de micro-onde, parce qu'elles ont eu une bande trop étroite et étaient tout à fait lossy. Le et autres (2002) d'Eleftheriades, et le et autres (2002) de Caloz ont fourni une méthode pour réaliser des metamaterials gauchers using les lignes de transmission chargées parélément artificiel en technologie de microruban.

Le premier Superlens avec un indice de réfraction négatif a fourni la résolution trois fois mieux que la limite de diffraction et a été démontré aux fréquences micro-ondes à l'université de de Toronto par A. Plus tard, les premiers superlens optiques (un objectif optique qui dépasse la limite de diffraction de ) ont été créés et démontrés en 2005 par le et autres de Xiang Zhang d'Uc Berkeley, comme rapporté cette année dans la question du 22 avril de la Science de journal. Mais leur objectif ne s'est pas fondé sur la réfraction négative. Au lieu de cela, ils ont employé un film argenté mince pour augmenter les modes évanescents par l'accouplement du plasmon de surface de . Cette idée a été suggérée la première fois par le John Pendry dans les lettres physiques de revue de .

On a proposé Metamaterials comme mécanisme pour établir un masquant le dispositif . Ces mécanismes impliquent typiquement d'entourer l'objet à masquer avec une coquille qui affecte le passage de proche léger il. Le Duke University et l'université impériale Londres actuellement recherchent cette utilisation des metamaterials et la sont parvenue à employer des metamaterials pour masquer un objet (dans le spectre de micro-onde) using les anneaux concentriques spéciaux ; les micro-ondes ont été à peine affectées par la présence de l'objet masqué. Début 2007, un metamaterial avec un indice de réfraction négatif pour des longueurs d'onde de lumière visible a été annoncé par une équipe commune de chercheurs au laboratoire d'Ames de du ministère de l'énergie des Etats-Unis et à l'université de Karlsruhe de dans le Allemagne . Le matériel a eu un index de -0.

On a également proposé Metamaterials pour concevoir les antennes agiles.

Modèles théoriques

Des matériaux (LH) gauchers ont été la première fois présentés théoriquement par le Victor Veselago en 1967. Pendry était le premier pour théoriser une manière pratique de faire un metamaterial gaucher (LHM). « Gaucher » dans ce contexte signifie un matériel en lequel la « règle droite » n'est pas conformée, permettant un électromagnétique saluent donnent l'énergie (avoir une vitesse de groupe ) dans la direction opposée à sa vitesse de phase . L'idée initiale de Pendry était que les fils métalliques alignés le long de la direction de propagation pourraient fournir à un metamaterial la constante diélectrique négative (ε<0). Noter cependant que des matériaux normaux (tels que ferroelectrics ) ont été déjà connus pour exister avec la constante diélectrique négative : le défi était de construire un matériel qui a également montré la perméabilité négative (µ<0). En 1999, Pendry a démontré qu'un anneau ouvert (forme de « C ») avec l'axe le long de la direction de propagation pourrait fournir une perméabilité négative. Dans le même papier, il a prouvé qu'un choix périodique des fils et de l'anneau pourrait provoquer un indice de réfraction négatif. Une particule négative relative de perméabilité qui a été également proposée par professeur Pendry est la bûche .

L'analogie est comme suit : Des matériaux normaux sont faits d'atomes, qui sont des dipöles. Ces dipöles modifient la vitesse légère par un facteur n (l'indice de réfraction). Les unités d'anneau et de fil jouent le rôle des dipöles atomiques : le fil agit en tant qu'atome ferroélectrique, alors que l'anneau agit en tant qu'un inducteur L et la section ouverte comme condensateur C. L'anneau dans son ensemble agit donc en tant que circuit de LC. Quand le champ électromagnétique traverse l'anneau, un courant induit est créé et le champ produit est perpendiculaire au champ magnétique de la lumière. Les résultats de résonance magnétique dans une perméabilité négative ; l'index est négatif aussi bien. (L'objectif n'est pas vraiment plat car le C et son Cs voisin impose une pente pour l'induction électrique.

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