Метаматериалы 1 2 24 Метаматериалы Метаматериа л

Метаматериалы 1

2/24 Метаматериалы Метаматериа л — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой -синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур, которые модифицируют диэлектрическую «ε» и магнитную «μ» восприимчивости исходного материала. Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Микроволны с частотами около 10 ГГц ведут себя в таком кубе необычно, потому что для них куб имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки — 2, 68 мм Суперлинза со сверхразрешением радиодиапазона

3/24 Свойства и строение метаматериалов Строительными блоками метаматериалов являются электромагнитные резонаторы, обычно в виде металлических полосок, спиралей, разорванных колец. (рис. 1) Изменяя форму, размеры, взаимное расположение резонаторов, можно направленно формировать свойства метаматериалов. (рис. 2) В длинноволновом, поверхность ограниченная металлическими антенными решетками, состоящая из множества антенных элементов, была использована как средство связи или как конденсатор. рис. 1 рис. 2

4/24 История создания В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провел первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривленной конфигурации. В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду. Виктор Веселаго Первые упоминания о метаматериалах с отрицательным коэффициентом преломления начинаются с упоминания работы советского физика Виктора Веселаго, опубликованной в журнале "Успехи физических наук" за 1968 г. Джагадис Чандра Бозе

Отрицательный показатель преломления 5/24 Для всех сред, которые могут быть найдены в природе, лучи падающего и преломленного света находятся по разные стороны от нормали, восстановленной к границе раздела сред в точке преломления. Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны – это любой металл при частотах выше плазменной частоты. В этом случае ε < 0 достигается за счет того, что свободные электроны в металле экранируют внешнее электромагнитное поле. Гораздо сложнее создать материал с μ < 0, в природе такие материалы не существуют.

Отрицательный показатель преломления 6/24 Для достижения μ < 0 используют систему проводящих колец с зазором, помещенных в переменное магнитное поле. Созданный метаматериал состоял из металлических стержней, ответственных за ε < 0, и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0. (Рис. 1) Физики из университета штата Айова и Университета Карлсруэ в Германии сумели создать метаматериал с показателем преломления -0, 6 для красного света с длиной волны 780 нм. Пример того, как выглядел бы отрицательный показатель преломления для воды (Рис. 2) Рис. 1 Рис. 2

7/24 Видимый спектр Для начала ученые взяли лист стекла и нанесли на него тонкий слой серебра, затем слой фторида магния, затем снова слой серебра; таким образом, был получен «сэндвич» с фторидом толщиной всего 100 нм. После этого ученые при помощи стандартной технологии травления проделали в этом «сэндвиче» множество крохотных квадратных отверстий (шириной всего 100 нм, гораздо меньше длины волны красного света); в результате получилась решетчатая структура, напоминающая рыбацкую сеть. Затем они пропустили через полученный материал луч красного света и измерили показатель преломления, который составил -0, 6. Молекула ДНК

8/24 Применение Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. Спектр электромагнитных метаматериалов, разрабатываемых в настоящее время огромен: С помощью метаматериалов можно создавать устройства, создание которых невозможно только при использовании природных материалов. отрицательный коэффициент преломления изображение высокой четкости плащ-невидимка нано-оптические и квантовые информационные технологии радиочастотные, СВЧ, терагерцовые, оптические метаматериалы v работы в соответствующей области нанотехнологий - нанофотонике - позволят создавать устройства, гораздо быстрее обрабатывающие информацию, чем существующие компьютеры. v Благодаря тому, что метаматериалы обладают отрицательным показателем преломления, они идеальны для маскировки объектов, так как их невозможно обнаружить средствами радиоразведки

v 9/24 Используя метаматериалы можно не только существенно улучшить параметры известных электромагнитных приборов, но и создать принципиально новые приборы: от сверхлинз с разрешением много меньшим длины волны излучения до экранов невидимости. Большинство практических применений - от экранов невидимости до сверхлинз и поляризаторов требуют создания метаматериала с прецизионными трехмерными элементами.

10/24 ДОСТИЖЕНИЯ: 1. Суперлинза (материалах с отрицательным показателем преломления можно преодолеть дифракционный предел разрешения обычной оптики. Первая экспериментально продемонстрированная линза с отрицательным показателем преломления имела разрешение в три раза лучше дифракционного предела. ) 2. Видение сквозь стены. (новый класс искусственных материалов, которые демонстрируют сильный магнитный отклик на излучение терагерцевого диапазона. ) 3. Блеф-стена. (создаёт иллюзию отсутствия реального объекта, то "ворота" формируют впечатление, что объект (в данном случае стена) существует там, где на деле его нет (то есть имеется открытый канал). 4. Антизеркало ( при отражении электромагнитной волны оно обращает магнитную составляющую колебаний, но не трогает электрическую. Так что в сравнении с зеркалом обычным, это можно было бы назвать антизеркалом. ) 5. Плащ-невидимка.

11/24 Такой плащ позволяет сделать невидимым закрываемый им объект, поскольку он не отражает свет.

12/24

11/24 Фотонный кристалл – это периодическая структура, позволяющая изменять направление излучения и выделять излучение с определенной частотой. Идея фотонного кристалла была предложена в 1987 году Эли Яблоновичем. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов. Периодическая структура фотонного кристалла

14 Классификация фотонных кристаллов Фотонные кристаллы бывают одномерными, двумерными и трехмерными. Одномерные ФК представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления. а – структура двумерного (сверху) и трехмерного (снизу) ФК; б – запрещенная зона одномерного ФК (величина запрещенной зоны показана стрелкой) в – инвертированный ФК никеля Двумерные ФК используются в виде планарных (пленочных) фотонных кристаллов или в виде фотоннокристаллических волокон (ФКВ) Трехмерные ФК можно представить как массив объёмных областей упорядоченных в трёхмерной кристаллической решётке.

15/24 Фотонный чип Устройство, основанное на квантовой запутанности фотонов, в котором производятся всевозможные манипуляции с квантовым состоянием запутанных фотонов и с высокой точностью производятся измерения полученных результатов. Цель – создание компактных высокоскоростных устройств обработки информации, которые могут успешно справляться с входными потоками, скоростью более чем 100 гигабит в секунду. Квантовые запутанности фотонов

16 Получение запутанных квантовых состояний Источником S потоков запутанных фотонов служит определённый нелинейный материал, на который направляется лазерный поток определённой частоты и интенсивности. В результате спонтанного параметрического рассеяния на выходе получаются два конуса поляризации H и V, несущие пары фотонов в запутанном квантовом состоянии (бифотоны). Причина использования запутанных фотонов: создание ситуации, при которой пучок фотонов или отдельный фотон будет бесконечно циркулировать по сложной замкнутой траектории, выписывая тор в пространстве. Генерация запутанных фотонов

17 Гиперболические метаматериалы • Характеристики: • Высокая степень анизотропности • Изготавливаются из переходных металлов и диэлектрических слоев • Обладают свойствами металла и диэлектрика • Дисперсия света в таких материалах становится гиперболической • Могут повысить плотность фотонах состояний, пропорциональную скорости радиоактивного распада • Большое их количество вызывает потери Метаматериалы с гиперболической дисперсией. Примеры 3 D HMMs с высокой степенью анизотропности. Изготовлены из плазмонной нанопроволки(А) и переходных слоев металла и диэлектрика(В). k(x) и k(0)-тангенциальные компоненты нормированного волнового вектора; Ex, Ey, Ez-это диагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости свободного пространства, -длина волны в свободном пространстве. (С)Имитация излучения в HMM и спектра мощности в HMM по (вверху)сравнению с обычными диэлектриками(внизу)

18/24 Метаповерхности — это очень тонкие пленки метаматериалов, содержащих слои оксидов или двумерную структуру мельчайших субволновых антенн. Метаповерхности создаются с использованием электронно-пучковой литографии или резки сфокусированным ионным пучком, совместимых с существующими полупроводниковыми технологиями и процессами. В последнее время создаются из оксидов цинка и индия, легированного алюминия и галлия. У этих металлов и окисей металлов меньшие оптические потери и более широкие возможности для модуляции в уже существующие оптические системы. Метаповерхность

19/24 Свойства метаповерхностей характеризуются малыми потерями широкий рабочий спектр контроль характеристик света(частота, фаза, импульс, угловой момент и поляризация) эффективная модуляции света генерация световых импульсов заданной формы, управления распространением световых пучков в пространстве диагностика структур с наноточностью Изображения метаповерхности, полученное при помощи сканирующего туннельного микроскопа.

20/24 Слева на рисунке (часть A) показана матрица нано-антенн, представляющая собой пример плазмонной метаповерхности. Ее использование возможно в ряде приложений, включая применение ее в качестве гиперлинзы с целью повышения разрешающей способности оптических микроскопов, в некоторых случаях до 10 раз. Справа на рисунке (часть Б) схематически изображена такназываемая "гиперболическая метаповерхность" миниатюрная металлическая решетка, используемая для увеличения скорости испускания фотонов квантовыми излучателями. Область ее применения - квантовые информационные системы, включая квантовые компьютеры, потенциально намного более мощные, чем современные компьютеры

21/24 Гиперболические метаповерхности Характеристики: Малые, восполнимые потери Широкий контроль над плотностью фотонных состояний Гиперболические метаповерхности. (А) Иллюстрация увеличения скорости излучения квантовых источников на метаповерхности, состоящей из металлической решетки на диэлектрической подложке (В и С)Иллюстрация поверхностных гиперлинз без усиления(В) и с усилением (С). Два рассеивателя находятся на верхней части решетки и обладают субволновым разделением

Применение метаповерхностей 22/24 Могут быть интегрированы в более сложные схемы: микропроцессор компьютера миниатюрные многофункциональные приборы применяемые в биологии и медицине (Чтобы «увидеть насквозь» человека или предмет, в будущем не придется прибегать к небезвредному рентгену. Метаматериалы позволят работать с любыми длинами волн – и для любых целей). метаповерхности также можно использовать как широкодиапазонный инфракрасный химический датчик метаструктуры могут быть использованы для создания компьютерных голограмм Применение в квантовых информационных технологиях Один из примеров компьютерной голограммы Фото разработанной учеными металинзы под микроскопом.

Вывод 23/24 Потенциальные применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. отрицательный коэффициент преломления изображение высокой четкости маскировочные технологии нано-оптические и квантовые информационные технологии компьютерные технологии на основе фотонного чипа В каждой из областей ученые добились немалых достижений, но пока технологии на основе метаматериалов не получили широкого использования в обществе. Основная проблема во всех областях-миниатюризация технологий.

24/24 Список литературы Планарная фотоника и метаповерхности (Килдышев А. В. , Шалаев В. М) http: //xaa. su/Ph. H - Метаматериалы или дилемма «невидимости» http: //laser-portal. ru/content_139 - Отриц. показатель преломления http: //qps. ru/A 5 h. R 4 - Метаматериалы для видимого спектра http: //www. lastmile. su/journal/article/2036 - применение метаматериалов Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies, D. Schurig, Science 314, 977 (2006).

25/24 Презентацию подготовили: Группа 1350 Сальянов Александр Добрых Дмитрий Михайловская Анна Соколов Павел Чернядьев Александр Зверев Александр

26/24 Спасибо за внимание!