miniatura|220x220px| Configurație a matricei unui metamaterial cu indice negativ, care a fost construit din rezonatoare din cupru cu inele secționate și sârme montate pe panourile cuplate ale unui circuit din fibră de sticlă. Matricea totală este formată din celule elementare de 3 × 20 × 20, cu dimensiuni totale de 10 x 100 x 100 mm (0,39 x 3,94 x 3,94 țoli). Un metamaterial (din cuvântul grecesc μετά meta, care înseamnă „dincolo de” și cuvântul latin materia, care înseamnă „materie” sau „material”) este orice material conceput să aibă o proprietate care nu se găsește în materialele naturale. Este realizat din ansambluri de elemente numeroase, făcute din materiale compozite precum metalele și plasticul. Materialele sunt de obicei dispuse în modele repetate, la scări mai mici decât lungimile de undă ale fenomenelor pe care le influențează. Proprietățile metamaterialelor derivă nu din proprietățile materialelor de bază, ci din structurile lor nou proiectate. Forma, configurația, dimensiunea, orientarea și aranjamentul lor precise le oferă proprietăți inteligente, capabile să manipuleze undele electromagnetice prin blocarea, absorbția, intensificarea sau îndoirea undelor, pentru a obține rezultate care depășesc ceea ce este posibil cu ajutorul materialelor convenționale.
Metamaterialele proiectate corespunzător pot afecta undele radiației electromagnetice sau undele sonore într-un mod neobservat în cazul materialelor vrac. Acele metamateriale care prezintă un indice de refracție negativ pentru anumite lungimi de undă au făcut obiectul unui număr mare de lucrări de cercetare. Acestea sunt cunoscute ca metamateriale cu indice negativ.
Aplicațiile potențiale ale metamaterialelor sunt diverse și includ filtre optice, dispozitive medicale, aplicații aerospațiale la distanță, detectarea senzorilor și monitorizarea infrastructurii, gestionarea inteligentă a energiei solare, controlul maselor, radomuri, comunicații de înaltă frecvență pe câmpul de luptă și lentile pentru antene de mare câștig, îmbunătățireasenzorilor ultrasonici și chiar structuri de protecție împotriva cutremurelor. Metamaterialele oferă posibilitatea de a crea . O astfel de lentilă ar putea permite captarea de imagini sub limita de difracție, care este rezoluția minimă ce poate fi obținută de lentilele convenționale de sticlă. O formă de „invizibilitate” a fost demonstrată folosind materiale cu indice de gradient. Metamaterialele acustice și seismice reprezintă, de asemenea, domenii de cercetare.
Cercetarea metamaterialelor este interdisciplinară și implică domenii precum inginerie electrică, electromagnetică, optică clasică, fizica stării solide, ingineria microundelor și a antenelor, optoelectronică, știința materialelor, nanoștiință și ingineria semiconductorilor.
Istorie Explorarea materialelor artificiale pentru manipularea undelor electromagnetice a început la sfârșitul secolului al XIX-lea. Unele dintre cele mai vechi structuri care pot fi considerate metamateriale au fost studiate de Jagadish Chandra Bose, care, în 1898, a cercetat substanțe cu proprietăți chirale. La începutul secolului al XX-lea, Karl Ferdinand Lindman a studiat interacțiunea undelor, având ca medii chirale artificiale helixurile metalice.
La sfârșitul anilor 1940, Winston E. Kock de la Laboratoarele Bell a dezvoltat materiale care aveau caracteristici similare metamaterialelor. În anii 1950 și 1960, artificiali au fost studiați în vederea antenelor cu microunde cu greutate redusă. Filtrele radar cu microunde au fost cercetate în anii 1980 și 1990 ca aplicații pentru medii chirale artificiale. Bowers J. A.; Hyde R. A. et al. "Evanescent electromagnetic wave conversion lenses I, II, III" US Patent and Trademark Office, Grant US-9081202-B2, 14 juli 2015,
Materialele cu indice negativ au fost pentru prima dată descrise în mod teoretic de în 1967. El a demonstrat că astfel de materiale pot transmite lumină. El a arătat că viteza de fază ar putea deveni anti-paralelă cu direcția vectorului Poynting. Acest lucru este contrar propagării undelor în materialele naturale.
În 2000, a fost primul care a identificat o modalitate practică de a realiza un metamaterial „de stânga”, adică un material în care nu este respectată regula mâinii drepte. Un astfel de material îi permite unei unde electromagnetice să transmită energie (să aibă o viteză de grup) împotriva vitezei sale de fază. Ideea lui Pendry a fost că sârmele metalice aliniate de-a lungul direcției unei unde ar putea oferi permitivitate negativă (funcție dielectrică ε < 0). Materialele naturale (cum ar fi feroelectricele) prezintă permitivitate negativă; provocarea a fost obținerea permeabilității negative (µ < 0). În 1999, Pendry a demonstrat că un inel secționat (în formă de „C”) cu axa plasată de-a lungul direcției de propagare a undei putea face acest lucru. În aceeași lucrare, el a arătat că o rețea periodică de sârme și inele ar putea genera un indice de refracție negativ. Pendry a propus, de asemenea, un model asemănător de permeabilitate negativă, numit „ruloul elvețian”.
În 2000, David R. Smith et al. au raportat demonstrația experimentală a funcționării metamaterialelor electromagnetice prin stivuirea orizontală, periodic, arezonatoarelor cu inel secționat și a structurilor de sârmă subțire. În 2002 a fost prezentată o metodă de realizare a metamaterialelor cu indice negativ folosind linii de transmisie artificiale cu elemente comasate, în tehnologia microstrip. În 2003, utilizând metamateriale „de stânga”, au fost demonstrați indicele de refracție negativ complex (atât componenta reală, cât și cea imaginară) AIP News, Number 628 #1, March 13 Physics Today, May 2003, Press conference at APS March Meeting, Austin, Texas, March 4, 2003, New Scientist, vol 177, p. 24. și formarea de imagini cu ajutorul unei lentile plate . Până în 2007, experimentele care implicau indicele de refracție negativ au fost efectuate de multe grupuri de oameni. În 2006, la frecvențele microundelor, a fost realizată prima pelerină invizibilă imperfectă.
Metamateriale electromagnetice Un metamaterial electromagnetic afectează undele electromagnetice care interacționează sau au impact asupra caracteristicilor sale structurale, care sunt mai mici decât lungimea de undă. Pentru a se comporta ca un material omogen descris cu precizie de un indice de refracție eficient, caracteristicile sale trebuie să fie mult mai mici decât lungimea de undă.
Pentru radiația cu microunde, caracteristicile sunt de ordinul milimetrilor. Metamaterialele cu frecvență de microunde sunt de obicei construite ca matrice de elemente conductoare (cum ar fi bucle de sârmă) care au caracteristici inductive și capacitive adecvate. Multe metamateriale cu microunde folosesc rezonatoare cu inel secționat .
Metamaterialele fotonice sunt structurate la scară nanometrică și manipulează lumina la frecvențe optice. Cristalele fotonice și suprafețele selective în frecvență, cum ar fi rețelele de difracție, oglinzile dielectrice și straturile optice prezintă asemănări cu metamaterialele structurate pe sub-lungimi de undă. Cu toate acestea, ele sunt de obicei considerate diferite față de metamateriale, deoarece funcția lor rezultă din difracție sau interferență și, prin urmare, nu poate fi aproximată ca un material omogen. Totuși, structurile concrete precum cristalele fotonice sunt disponibile în spectrul luminii vizibile. Mijlocul spectrului vizibil are o lungime de undă de aproximativ 560 nm (pentru lumina soarelui). Structurile cristalelor fotonice au, în general, jumătate din această dimensiune sau mai puțin, adică <280 nm.
Metamaterialele plasmonice utilizează plasmonii de suprafață, care sunt grupări de sarcină electrică ce oscilează colectiv pe suprafețele metalelor la frecvențe optice.
Suprafețele selective în frecvență (FSS) pot prezenta caracteristici de sub-lungime de undă și sunt cunoscute în general sub numele de conductori magnetici artificiali (AMC) sau suprafețe de înaltă impedanță (HIS). FSS afișează caracteristici inductive și capacitive care sunt direct legate de structura lor de sub-lungime de undă.
Metamaterialele electromagnetice pot fi împărțite în diferite clase, după cum urmează:
Indice de refracție negativ miniatura| Comparație între refracția dintr-un metamaterial „de stânga” și dintr-un material convențional
Metamaterialele cu indice negativ (NIM) sunt caracterizate de un indice de refracție negativ. NIM-urile în care indicele de refracție negativ rezultă din simultaneitatea permisivității negative și permeabilității negative sunt, de asemenea, cunoscute ca metamateriale dublu negative (DNG).
Presupunând că un material este bine aproximat prin permitivitate și permeabilitate reale, relația dintre permitivitate , permeabilitate și indicele de refracție n este dată de . Toate materialele transparente cunoscute (sticlă, apă etc.) posedă și pozitive. Prin convenție, pentru n se folosește rădăcina pătrată pozitivă. Cu toate acestea, unele metamateriale proiectate au și . Pentru că produsul este pozitiv, n este real. În astfel de circumstanțe, este necesar să se extragă rădăcina pătrată negativă pentru n . Când și și sunt pozitive (negative), undele se deplasează în direcția înainte (înapoi). Undele electromagnetice nu se pot propaga în materiale cu și cu sarcini opuse, pentru că indicele de refracție devine imaginar. Astfel de materiale sunt opace pentru radiația electromagnetică, iar printre acestea se numără materiale plasmonice precum metalele (aur, argint etc.).
Considerațiile precedente sunt simpliste pentru materialele propriu-zise, care trebuie să aibă și cu valori complexe. Părțile reale atât ale cât și ale nu trebuie să fie negative pentru ca un material pasiv să prezinte refracție negativă. Voznesenskaya, A. and Kabanova, D. (2012) "Analysis of Ray Tracing Through Optical Systems with Metamaterial Elements", Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, Volume 5, Number 12, p. 5. Într-adevăr, un indice de refracție negativ pentru undele polarizate circular poate apărea și din chiralitate. Metamaterialele cu n negativ au numeroase proprietăți interesante:
Legea lui Snell ( n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 ) încă descrie refracția, dar întrucât n 2 este negativ, razele incidente și refractate sunt pe aceeași parte a normalei suprafeței la o interfață de materiale cu indice pozitiv și negativ. Radiația Cherenkov arată în cealaltă direcție. Vectorul Poynting cu medie temporală este antiparalel cu viteza de fază . Cu toate acestea, pentru ca undele (energia) să se propage, – µ trebuie să fie asociat cu – ε pentru a satisface dependența numărului de undă de parametrii materialului .
Indicele negativ de refracție derivă matematic din tripletul vectorial E, H și k .
Pentru undele plane care se propagă în metamateriale electromagnetice, câmpul electric, câmpul magnetic și vectorul de undă urmează regula mâinii stângi, contrar comportamentului materialelor optice convenționale.
Până în prezent, numai metamaterialele prezintă un indice de refracție negativ.
Negativ cu un singur strat Metamaterialele cu un singur strat (SNG) au fie permitivitate relativă negativă (r ε), fie permeabilitate relativă negativă (r μ), dar nu ambele. Ele acționează ca metamateriale atunci când sunt combinate cu un SNG diferit, complementar, acționând împreună ca un DNG.
Mediul cu epsilon negativ (ENG) afișează εr negativ, în timp ce μ r este pozitiv. Multe plasme prezintă această caracteristică. De exemplu, metalele nobile precum aurul sau argintul sunt ENG în spectrul infraroșu și vizibil.