Новое направление в технологиях
Российские ученые создают электромагнитные материалы с элементарной ячейкой, обладающей заранее заданными свойствами, не всегда встречающимися в природе.
Метаматериалами принято называть композитные материалы, свойства которых из-за структурных особенностей сильно отличаются от природных материалов. К основным свойствам метаматериалов принято относить отрицательные значения электрической и магнитной проницаемости; отрицательный коэффициент преломления; сильные киральные свойства (связанные с дискретной структурой среды) и др. Важно различать понятия метаматериалов и фотонных кристаллов: в метаматериалах, в отличие от фотонных кристаллов, размер включений или, как их называют, «мета-атомов» и расстояние между ними должны быть существенно меньше длины волны.
Науке давно известны материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью – любые металлы, при частотах несколько превышающих плазменную частоту. В этих условиях отрицательное значение электрической проницаемости обусловлено тем, что свободные электроны в металле экранируют металл от внешнего электромагнитного поля. Однако материалов с отрицательной магнитной проницаемостью на оптических частотах в природе не существует. Вследствие отрицательных значений электрической и магнитной проницаемости в таких материалах возникают электромагнитные волны, у которых фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления и в результате возникает отрицательное лучепреломление на границе двух сред, в которых наблюдается противоположное направление векторов групповой и фазовой скоростей волны.
В 1999 году английский ученый Д. Пендри (Pendry J.) получил отрицательную магнитную проницаемость, используя электропроводящее кольцо с зазором. Само кольцо представляло собой виток проводника, обладающий собственной индуктивностью, зазор же обладал свойствами конденсатора с некоторой ёмкостью, что в совокупности образовывало простейший колебательный контур.
Сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН А.Н. Лагарьков и В.Н. Кисель провели исследования композитов с различными резонансными включениями. Благодаря этим включениям можно получить резонансные характеристики, при которых в определённых диапазонах обеспечиваются требуемые характеристики метаматериала. Кроме того, есть возможность компенсировать потери в метаматериалах.
Использование метаматериалов открывает новые возможности для разработки различных СВЧ- и оптических устройств. В этот список входят фокусирующие системы, нанолазеры, поглотители, резонаторы и многие другие устройства. Перспективные направления исследований — беспроводная передача энергии в системах с метаматериалом и поглощение энергии всенаправленного источника.
По словам главного научного сотрудника Сектора теории взаимодействия излучения с веществом ФИАН, доктора физ.-мат. наук Василия Климова, очень важно, что экспериментальные работы по проверке уникальных свойств метаматериалов проводились у нас в стране. Российская наука занимает одну из лидирующих позиций в области метаматериалов и их применений. Сейчас изучением этих материалов занимается группа сотрудников ФИАН по нанооптике и наноплазмонике с привлечением нескольких студентов и аспирантов (см. http://www.nkj.ru/news/19875/). Кроме того, на базе ФИАН разворачивается сколковский проект «Квантовые метаматериалы».
На фото: метаматериал кубической формы, представляющий собой систему резонаторов, собранную из медных элементов – пар концентрических разомкнутых колец квадратной формы. Шаг решетки – 2,68 мм.
