Реферат: Метаматериалы и проблемы «эльфийского плаща». Насколько близки «двери в сказку»?
Основная задача, стоящая перед разработчиками маскирующих устройств, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым, за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта, и должен полностью обходить объект.
Дата добавления на сайт: 20 марта 2025
Российский университет дружбы народов
Инженерный факультет
Кафедра Кибернетики и Мехатроники
Реферат
Метаматериалы и проблемы «эльфийского плаща». Насколько близки «двери в сказку»?
Москва, 2013
Введение
Основная задача, стоящая перед разработчиками маскирующих устройств, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым, за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта, и должен полностью обходить объект. При этом наблюдатель должен видеть только задний фон, а никоим образом не предмет, замаскированный устройством-невидимкой.
В 1967 году советский физик Виктор Георгиевич Веселаго (сотрудник Института общей физики имени Александра Михайловича Прохорова РАН, Москва) предсказал возможность создания материала с отрицательным коэффициентом преломления (метаматериала), который он назвал «левосторонним». В своей статье «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и м», опубликованной в «Успехи физических наук», он пришел к заключению, что в материале существенно изменяются почти все известные оптические явления. Волны в них должны двигаться против направления распространения луча и вообще вести себя удивительным образом, линзы же из этих материалов- обладать волшебными свойствами и непревзойденными характеристиками, одним из таких свойств является то, что волна будет огибать предмет, который помещен в метаматериал, а не отражаться от него. Однако у всех известных веществ показатель преломления положителен: за нескольких лет интенсивных поисков Веселаго не нашел ни одного материала с подходящими электромагнитными свойствами, и его гипотеза была забыта. О ней вспомнили лишь в начале XXI века.
Благодаря последним достижениям в области материаловедения идея Веселаго была возрождена. Электромагнитные свойства веществ определяются особенностями образующих их атомов и молекул, обладающих довольно узким диапазоном характеристик. Поэтому свойства миллионов известных нам материалов не так уж разнообразны. Однако в середине 1990-х гг. ученые из Центра технологии материалов им. Маркони в Англии занялись созданием метаматериалов, которые состоят из макроскопических элементов и рассеивают электромагнитные волны совсем не так, как любые известные вещества.
В 2000 г. Дэвид Смит вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего изготовил метаматериал с отрицательным показателем преломления. Поведение света в нем оказалось настолько странным, что теоретикам пришлось переписать книги по электромагнитным свойствам веществ. Экспериментаторы уже занимаются разработкой технологий, в которых используются удивительные свойства метаматериалов, и создают суперлинзы, позволяющие получать изображения с деталями меньше длины волны используемого света.
В настоящее время принцип работы, так называемых плащей-невидимок из метаматериалов (греч. мета - сверх, за пределами), может быть основан на том, что они преломляют проходящий сквозь них свет таким образом, что внешний наблюдатель не может заметить скрываемый предмет. Для их создания требуются материалы с отрицательным показателем преломления света, которые и позволяют свету огибать твёрдое тело так, как будто на его месте ничего нет.
1.Метаматериалы
Метаматериа́л - композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой.
Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми различными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую проницаемость «е» и магнитную «м» восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесенные в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет возможность выбора (варьирования) различных свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).
Одно из возможных свойств метаматериалов - отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей. Пример такого метаматериала показан на Рисунке 1.
Оптические свойства вещества характеризуются показателем преломления n, который связан с е и м простым соотношением: . Для всех известных материалов перед квадратным корнем должен стоять знак «+», и поэтому их показатель преломления положителен. Однако в 1968 г. Веселаго показал, что у вещества с отрицательными е и м показатель преломления n должен быть меньше нуля. Отрицательные е или м получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полям
Диэлектрическая проницаемость среды - физическая величина, характеризующая свойства изолирующей среды и показывающая зависимость электрической индукции (D) от напряженности электрического поля (E)
Магнитная проницаемость - физическая величина коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией (B) и напряженностью магнитного поля (H) в веществе.
Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны - это любой металл при частотах выше плазменной частоты (при которой металл становится прозрачным). В этом случае е щ0.
1.1 Создание метаматериалов
Отрицательные е или м получаются в том случае, когда электроны в материале движутся в направлении, противоположном по отношению к силам, создаваемым электрическим и магнитным полями. Хотя такое поведение кажется парадоксальным, заставить электроны двигаться против сил электрического и магнитного полей не так уж сложно.
Если толкнуть маятник рукой, он послушно переместится в направлении толчка и начнет колебаться с так называемой резонансной частотой. Подталкивая маятник в такт с качанием, можно увеличить амплитуду колебаний. Если же толкать его с более высокой частотой, то толчки перестанут совпадать с колебаниями по фазе, и в какой-то момент руку ударит маятник, движущийся ей навстречу. Точно так же электроны в материале с отрицательным показателем преломления входят в противофазу и начинают сопротивляться «толчкам» электромагнитного поля.
Ключ к такого рода отрицательной реакции -резонанс, то есть стремление колебаться со специфической частотой. Он создается в метаматериале искусственно с помощью крошечных резонансных контуров, имитирующих отклик вещества на магнитное или электрическое поле. Например, в разорванном разрезном кольцевом резонаторе (РКР) магнитный поток, проходящий через металлическое кольцо, наводит в нем круговые токи, аналогичные токам, обуславливающим магнетизм некоторых материалов. А в решетке из прямых металлических стержней электрическое поле создает направленные вдоль них токи.
Свободные электроны в таких контурах колеблются с резонансной частотой, зависящей от формы и размеров проводника. Если приложено поле с частотой ниже резонансной, будет наблюдаться нормальная положительная реакция. Однако с увеличением частоты отклик становится отрицательным, так же как в случае с маятником, движущимся навстречу, если толкать его с частотой выше резонансной. Таким образом, проводники в некотором диапазоне частот могут реагировать на электрическое поле как среда с отрицательной е, а кольца с разрезами могут имитировать материал с отрицательной м. Эти проводники и кольца с разрезами и есть элементарные блоки, необходимые для создания широкого ассортимента метаматериалов, в том числе таких, которые искал Веселаго.
Тонкие металлические проволоки
Массив из тонких металлических проволок предложен как первая структура с отрицательной диэлектрической проницаемостью. Большое влияние на развитие исследований материалов с отрицательным показателем преломления оказали работы Пендри. Структура с е , Блиох Ю.П. Что такое левые среды и чем они интересны?// Успехи физических наук, Т. 174, № 4, 2004. -С. 439-447.
. Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления // Успехи физических наук. - 2003. - 7. - с. 790-794.
. Веселаго, В. Г. Электродинамика веществ с одновременными отрицательными значениями и/В. Г. Веселаго //Успехи физических наук. -1967. -Т. 92. -№ 3. -C. 517-525.
4. Головкина М.В. Материалы с отрицательным показателем преломления в волноведущих структурах // ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ . - Самара: Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2006. - С. 14-21.
. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - Смоленск: Рекламно-издательский центр \"Техносфера\", 2009. - С. 70-79.