Metamaterial mit negativem Index - Negative-index metamaterial

Ein Metamaterial mit negativem Index bewirkt, dass Licht anders gebrochen oder gebogen wird als bei üblicheren Materialien mit positivem Index wie Glaslinsen

Negativindex- Metamaterial oder Negativindex-Material ( NIM ) ist ein Metamaterial, dessen Brechungsindex für eine elektromagnetische Welle über einen bestimmten Frequenzbereich einen negativen Wert aufweist.

NIMs bestehen aus periodischen Grundteilen , die als Einheitszellen bezeichnet werden und normalerweise erheblich kleiner sind als die Wellenlänge der von außen angelegten elektromagnetischen Strahlung . Die Einheitszellen der ersten experimentell untersuchten NIMs wurden aus Leiterplattenmaterial oder mit anderen Worten Drähten und Dielektrika konstruiert . Im Allgemeinen sind diese künstlich aufgebauten Zellen gestapelt oder planar und in einem bestimmten wiederholten Muster konfiguriert, um das einzelne NIM zusammenzusetzen. Zum Beispiel wurden die Einheitszellen der ersten NIMs horizontal und vertikal gestapelt, was zu einem Muster führte, das wiederholt und beabsichtigt war (siehe Bilder unten).

Die Spezifikationen für die Reaktion jeder Einheitszelle sind vor der Konstruktion vorbestimmt und basieren auf der beabsichtigten Reaktion des gesamten neu konstruierten Materials. Mit anderen Worten, jede Zelle wird individuell abgestimmt, um auf eine bestimmte Weise zu reagieren, basierend auf der gewünschten Ausgabe des NIM. Die aggregierte Reaktion wird hauptsächlich durch die Geometrie jeder Einheitszelle bestimmt und unterscheidet sich wesentlich von der Reaktion ihrer Materialbestandteile. Mit anderen Worten, die Art und Weise, wie das NIM reagiert, ist die eines neuen Materials, im Gegensatz zu den Drähten oder Metallen und Dielektrika, aus denen es besteht. Daher ist das NIM ein wirksames Medium geworden . Tatsächlich ist dieses Metamaterial zu einem „geordneten makroskopischen Material geworden, das von unten nach oben synthetisiert wird“ und hat über seine Komponenten hinaus emergente Eigenschaften.

Metamaterialien, die einen negativen Wert für den Brechungsindex aufweisen, werden häufig mit einer von mehreren Terminologien bezeichnet: linkshändige Medien oder linkshändiges Material (LHM), rückwärtsgerichtete Medien (BW-Medien), Medien mit negativem Brechungsindex, doppelt negativ (DNG) Metamaterialien und andere ähnliche Namen.

Eigenschaften und Eigenschaften

Ein Split-Ring-Resonator- Array, das zur Erzeugung eines negativen Brechungsindex angeordnet ist und aus Kupfer-Split-Ring-Resonatoren und Drähten besteht, die auf ineinandergreifenden Platten aus Glasfaserplatinen montiert sind.
Das Gesamtarray besteht aus 3 x 20 × 20 Einheitszellen mit Gesamtabmessungen von 10 × 100 × 100 Millimetern. Die Höhe von 10 Millimetern misst etwas mehr als sechs Unterteilungsmarkierungen auf dem Lineal, die in Zoll markiert sind.

Elektrodynamik von Medien mit negativen Brechungsindizes wurden zuerst von russischen theoretischen-Physiker studierte Victor Veselago aus Moskauer Institut für Physik und Technologie im Jahr 1967. Die vorgeschlagene linkshändig oder negativ Index Materialien wurden theoretisiert zeigen optische Eigenschaften gegenüber denen von Glas , Luft und andere transparente Medien . Es wurde vorausgesagt, dass solche Materialien kontraintuitive Eigenschaften wie Biegen oder Brechen von Licht auf ungewöhnliche und unerwartete Weise aufweisen. Das erste praktische Metamaterial wurde jedoch erst 33 Jahre später konstruiert und produziert die Konzepte von Veselago.

1978 fand Sergei P. Efimov von der Staatlichen Technischen Universität Bauman Moskau einen unerwarteten Effekt in der Theorie der Wellenbrechung. Seine Forschung basiert auf der grundlegenden Eigenschaft von Maxwell-Gleichungen, um Einschränkungen von Fresnel-Gleichungen zu überwinden. Er fand Parameter eines vollständig nicht reflektierenden Kristalls, dh eines anisotropen Mediums. Gefundenes Eigentum ist wichtig für die Entwicklung von Konzepten für Metamaterialien.

Derzeit werden Metamaterialien mit negativem Index entwickelt, um elektromagnetische Strahlung auf neue Weise zu manipulieren . Beispielsweise werden optische und elektromagnetische Eigenschaften natürlicher Materialien häufig durch Chemie verändert . Mit Metamaterialien können optische und elektromagnetische Eigenschaften durch Ändern der Geometrie der Elementarzellen ermittelt werden . Die Einheitszellen sind Materialien, die in geometrischen Anordnungen mit Abmessungen angeordnet sind, die Bruchteile der Wellenlänge der abgestrahlten elektromagnetischen Welle sind . Jede künstliche Einheit reagiert auf die Strahlung der Quelle. Das kollektive Ergebnis ist die Reaktion des Materials auf die elektromagnetische Welle , die breiter als normal ist.

Anschließend wird die Übertragung durch Anpassen der Form, Größe und Konfiguration der Einheitszellen geändert. Dies führt zur Kontrolle der Materialparameter, die als Permittivität und magnetische Permeabilität bekannt sind . Diese beiden Parameter (oder Größen) bestimmen die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in der Materie . Das Steuern der Werte für Permittivität und Permeabilität bedeutet daher, dass der Brechungsindex sowohl negativ oder Null als auch herkömmlich positiv sein kann. Es hängt alles von der beabsichtigten Anwendung oder dem gewünschten Ergebnis ab . So können die optischen Eigenschaften über die Möglichkeiten von Linsen , Spiegeln und anderen herkömmlichen Materialien hinaus erweitert werden. Einer der am meisten untersuchten Effekte ist außerdem der negative Brechungsindex.

Umgekehrte Ausbreitung

Wenn ein negativer Brechungsindex auftritt, wird die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle umgekehrt. Eine Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze wird möglich. Dies ist als Subwellenlängen-Bildgebung bekannt . Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Lichtstrahl über eine elektromagnetisch flache Oberfläche zu übertragen. Im Gegensatz dazu sind herkömmliche Materialien normalerweise gekrümmt und können keine Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze erreichen. Das Umkehren der elektromagnetischen Wellen in einem Material in Verbindung mit anderen gewöhnlichen Materialien (einschließlich Luft) könnte auch dazu führen, dass Verluste minimiert werden, die normalerweise auftreten würden.

Die Umkehrung der elektromagnetischen Welle, die durch eine antiparallele Phasengeschwindigkeit gekennzeichnet ist, ist auch ein Indikator für einen negativen Brechungsindex.

Darüber hinaus sind Materialien mit negativem Index kundenspezifische Verbundwerkstoffe. Mit anderen Worten, Materialien werden mit Blick auf ein gewünschtes Ergebnis kombiniert. Materialkombinationen können entworfen werden, um optische Eigenschaften zu erzielen, die in der Natur nicht zu sehen sind. Die Eigenschaften des Verbundmaterials ergeben sich aus seiner Gitterstruktur, die aus Komponenten aufgebaut ist, die kleiner als die auftreffende elektromagnetische Wellenlänge sind und durch Abstände voneinander getrennt sind, die ebenfalls kleiner als die auftreffende elektromagnetische Wellenlänge sind. Ebenso versuchen Forscher durch die Herstellung solcher Metamaterialien, grundlegende Grenzen zu überwinden, die an die Wellenlänge des Lichts gebunden sind . Die ungewöhnlichen und kontraintuitiven Eigenschaften werden derzeit praktisch und kommerziell zur Manipulation elektromagnetischer Mikrowellen in Funk- und Kommunikationssystemen eingesetzt . Schließlich wird in den anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums , einschließlich des sichtbaren Lichts , weiter geforscht .

Materialien

Die ersten tatsächlichen Metamaterialien arbeiteten im Mikrowellenregime oder Zentimeterwellenlängen des elektromagnetischen Spektrums (etwa 4,3 GHz). Es bestand aus Split-Ring-Resonatoren und leitenden geraden Drähten (als Einheitszellen). Die Einheitszellen hatten eine Größe von 7 bis 10 Millimetern . Die Einheitszellen wurden in einem zweidimensionalen ( periodischen ) sich wiederholenden Muster angeordnet, das eine kristallartige Geometrie erzeugt. Sowohl die Einheitszellen als auch der Gitterabstand waren kleiner als die abgestrahlte elektromagnetische Welle. Dies erzeugte das erste linkshändige Material, wenn sowohl die Permittivität als auch die Permeabilität des Materials negativ waren. Dieses System beruht auf dem Resonanzverhalten der Elementarzellen. Im Folgenden entwickelt eine Gruppe von Forschern eine Idee für ein linkshändiges Metamaterial, das nicht auf einem solchen Resonanzverhalten beruht.

Die Forschung im Mikrowellenbereich wird mit Split-Ring-Resonatoren und leitenden Drähten fortgesetzt. Mit dieser Materialkonfiguration wird auch in den kürzeren Wellenlängen weiter geforscht, und die Einheitszellengrößen werden verkleinert. Bei etwa 200 Terahertz treten jedoch Probleme auf, die die Verwendung des Split-Ring-Resonators problematisch machen. " Alternative Materialien eignen sich besser für Terahertz- und optische Bereiche ." Bei diesen Wellenlängen werden Materialauswahl und Größenbeschränkungen wichtig. Beispielsweise übertrug 2007 ein 100-Nanometer-Maschendrahtdesign aus Silber, das in einem sich wiederholenden Muster gewebt war, Strahlen mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern, dem anderen Ende des sichtbaren Spektrums. Die Forscher glauben, dass dies zu einer negativen Brechung von 0,6 führte. Trotzdem arbeitet dies nur mit einer einzigen Wellenlänge wie seine Vorgängermetamaterialien im Mikrowellenbereich. Daher besteht die Herausforderung darin, Metamaterialien so herzustellen, dass sie "Licht bei immer kleineren Wellenlängen brechen" und Breitbandfähigkeiten zu entwickeln.

Künstliche Übertragungsleitungsmedien

Hauptartikel: Metamaterial-Antenne
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In der Metamaterialliteratur bezieht sich Medium oder Medium auf Übertragungsmedium oder optisches Medium . Im Jahr 2002 kam eine Gruppe von Forschern auf die Idee, dass nichtresonante Phänomene im Gegensatz zu Materialien, die vom Resonanzverhalten abhängen, enge Bandbreitenbeschränkungen der Draht / Split-Ring-Resonator- Konfiguration übertreffen könnten . Diese Idee führte zu einer Art Medium mit breiteren Bandbreitenfähigkeiten, negativer Brechung , Rückwärtswellen und Fokussierung über die Beugungsgrenze hinaus .

Sie verzichteten auf Split-Ring-Resonatoren und verwendeten stattdessen ein Netzwerk von L - C-beladenen Übertragungsleitungen. Metamaterialliteratur wurde dies als künstliche Übertragungsleitungsmedien bekannt . Zu dieser Zeit hatte es den zusätzlichen Vorteil, kompakter zu sein als eine Einheit aus Drähten und Split-Ring-Resonatoren. Das Netzwerk war sowohl skalierbar (vom Megahertz bis zum Zehn- Gigahertz- Bereich) als auch abstimmbar. Es enthält auch ein Verfahren zum Fokussieren der interessierenden Wellenlängen . Bis 2007 wurde die Übertragungsleitung mit negativem Brechungsindex als subwellenlängenfokussierende Freiraum-Flachlinse verwendet. Dass dies eine Freiraumlinse ist, ist ein bedeutender Fortschritt. Ein Teil früherer Forschungsanstrengungen zielte darauf ab, eine Linse zu schaffen, die nicht in eine Übertragungsleitung eingebettet werden musste.

Die optische Domäne

Hauptartikel: Photonisches Metamaterial und plasmonisches Metamaterial

Metamaterialkomponenten schrumpfen, wenn die Forschung kürzere Wellenlängen (höhere Frequenzen) des elektromagnetischen Spektrums im infraroten und sichtbaren Spektrum untersucht . Zum Beispiel, Theorie und Experiment haben kleinere hufeisenförmige Spaltringresonatoren mit entworfen sucht lithographische Techniken, sowie gepaarte Metallnanostäbchen oder nanostrips und Nanopartikeln als Schaltungen entworfen , um mit Konzentriertelementmodelle

Anwendungen

Die Wissenschaft der Materialien mit negativem Index wird mit herkömmlichen Geräten verglichen, die elektromagnetische Signale senden, senden, formen oder empfangen, die über Kabel, Drähte oder Luft übertragen werden. Die Materialien, Geräte und Systeme, die an dieser Arbeit beteiligt sind, können ihre Eigenschaften ändern oder verbessern. Daher geschieht dies bereits bei Metamaterialantennen und verwandten Geräten, die im Handel erhältlich sind. Darüber hinaus werden diese drahtlosen Geräte im drahtlosen Bereich weiter erforscht. Andere Anwendungen werden ebenfalls erforscht. Dies sind elektromagnetische Absorber wie Radar-Mikrowellen- Absorber, elektrisch kleine Resonatoren , Wellenleiter , die über die Beugungsgrenze hinausgehen können , Phasenkompensatoren , Fortschritte bei Fokussiergeräten (z. B. Mikrowellenlinsen ) und verbesserte elektrisch kleine Antennen.

Im optischen Frequenzbereich kann die Entwicklung der Superlinsen eine Abbildung unterhalb der Beugungsgrenze ermöglichen . Andere mögliche Anwendungen für Metamaterialien mit negativem Index sind die optische Nanolithographie , die Nanotechnologie- Schaltung sowie eine Nahfeld-Superlinse (Pendry, 2000), die für die biomedizinische Bildgebung und die Subwellenlängen-Photolithographie nützlich sein könnte.

Manipulation von Permittivität und Permeabilität

Lichtbrechung an der Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes mit n 2 > n 1 . Da die Geschwindigkeit im zweiten Medium niedriger ist (v 2 <v 1 ), ist der Brechungswinkel & thgr; 2 kleiner als der Einfallswinkel & thgr ; 1 ; Das heißt, der Strahl im Medium mit höherem Index ist näher an der Normalen.

Um elektromagnetische Eigenschaften eines bestimmten achiralen Materials wie einer optischen Linse zu beschreiben , gibt es zwei signifikante Parameter. Dies sind Permittivität , und Durchlässigkeit , , die genaue Vorhersage von Licht erlauben Wanderwellen in Materialien und elektromagnetischen Erscheinungen , die auftreten , an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien.

Beispielsweise ist die Brechung ein elektromagnetisches Phänomen, das an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien auftritt. Das Snellsche Gesetz besagt, dass die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel eines Strahls elektromagnetischer Strahlung (Licht) und dem resultierenden Brechungswinkel auf den Brechungsindizes der beiden Medien (Materialien) beruht . Der Brechungsindex eines achiralen Mediums ist gegeben durch . Daher ist ersichtlich, dass der Brechungsindex von diesen beiden Parametern abhängt. Wenn daher entworfene oder willkürlich modifizierte Werte für und eingegeben werden können, kann das Verhalten der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb des Materials nach Belieben manipuliert werden. Diese Fähigkeit ermöglicht dann die absichtliche Bestimmung des Brechungsindex.

Video, das die negative Lichtbrechung an einer gleichmäßigen planaren Grenzfläche darstellt.

Zum Beispiel stellte Victor Veselago 1967 analytisch fest, dass Licht an der Grenzfläche zwischen einem Material mit negativem Brechungsindex und einem Material mit herkömmlichem positivem Brechungsindex in umgekehrter Richtung (negativ) gebrochen wird . Dieses außergewöhnliche Material wurde auf Papier mit gleichzeitig negativen Werten für und realisiert und kann daher als doppelt negatives Material bezeichnet werden. Zu Veselagos Zeiten schien jedoch ein Material, das gleichzeitig doppelt negative Parameter aufweist, unmöglich, da keine natürlichen Materialien existieren, die diesen Effekt hervorrufen können. Daher wurde seine Arbeit drei Jahrzehnte lang ignoriert. Es wurde später für den Nobelpreis nominiert.

1987 nutzte Sergei P. Efimov die grundlegenden Eigenschaften der Maxwellschen Gleichungen, um die Einschränkungen der Fresnel-Formeln zu überwinden. Er änderte die Skala der Z-Achse: Z '= Z / K, dh leeres Medium mit ε = 1 wird entlang Z komprimiert. Daher gehen Maxwells Gleichungen zu Gleichungen für makroskopisches anisotropes Medium mit Tensoren ε und μ . Die Permittivität & egr; z entlang der Achse Z ist gleich K, wenn die Querrichtung & egr ; tr gleich 1 / K ist. Die Permeabilität μ z ist gleich K und quer ist μ tr gleich 1 / K. Welle im leeren Raum geht zur gebrochenen Welle. Folglich hat der gefundene Kristall in keinem Winkel und für keine Frequenz eine Reflexion. Eine gerade Berechnung ergibt, dass der Reflexionskoeffizient gleich Null ist, was dem "Quanteneffekt" ähnlich ist. Es ist sehr wichtig, dass der Parameter K negativ und komplex sein kann, auch wenn der Ursprung des Effekts nur die Eigenschaft "Komprimierung" ist. Sergei P. Efimov wandte eine analoge Transformation für die Schallwellengleichungen an. Drei Konzepte: Medium mit negativem Index, nicht reflektierender Kristall und Superlinsen sind Grundlagen der Metamaterialtheorie.

Im allgemeinen werden die physikalischen Eigenschaften von natürlichen Materialien verursachen Einschränkungen. Die meisten Dielektrika haben nur positive Permittivitäten > 0. Metalle weisen bei optischen Frequenzen eine negative Permittivität <0 auf, und Plasmen weisen in bestimmten Frequenzbändern negative Permittivitätswerte auf. Pendry et al. zeigten, dass die Plasmafrequenz in den niedrigeren Mikrowellenfrequenzen für Metalle mit einem Material aus Metallstäben auftreten kann, das das Schüttgut ersetzt . In jedem dieser Fälle bleibt die Permeabilität jedoch immer positiv. Bei Mikrowellenfrequenzen können in einigen ferromagnetischen Materialien negative μ auftreten . Der inhärente Nachteil ist jedoch, dass sie oberhalb von Terahertz- Frequenzen schwer zu finden sind . In jedem Fall wurde ein natürliches Material, das gleichzeitig negative Werte für Permittivität und Permeabilität erreichen kann, nicht gefunden oder entdeckt. All dies hat daher zur Konstruktion künstlicher Verbundwerkstoffe geführt, die als Metamaterialien bekannt sind, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Negativer Brechungsindex aufgrund von Chiralität

Bei chiralen Materialien hängt der Brechungsindex nicht nur von der Permittivität und Permeabilität ab , sondern auch vom Chiralitätsparameter , was zu unterschiedlichen Werten für links und rechts zirkular polarisierte Wellen führt, die durch gegeben sind

Ein negativer Index tritt für Wellen mit einer zirkularen Polarisation auf, wenn > . In diesem Fall ist es nicht erforderlich, dass einer oder beide und negativ sind, um einen negativen Brechungsindex zu erreichen. Ein negativer Brechungsindex aufgrund von Chiralität wurde von Pendry und Tretyakov et al. und zuerst gleichzeitig und unabhängig von Plum et al. und Zhang et al. in 2009.

Physikalische Eigenschaften, die noch nie in der Natur erzeugt wurden

In den Jahren 1996 und 1999 wurden theoretische Artikel veröffentlicht, die zeigten, dass synthetische Materialien so konstruiert werden können, dass sie absichtlich eine negative Permittivität und Permeabilität aufweisen .

Diese Arbeiten bildeten zusammen mit Veselagos theoretischer Analyse der Eigenschaften von Materialien mit negativem Index von 1967 den Hintergrund für die Herstellung eines Metamaterials mit negativer effektiver Permittivität und Permeabilität. Siehe unten.

Ein Metamaterial, das entwickelt wurde, um ein Verhalten mit negativem Index zu zeigen, wird typischerweise aus einzelnen Komponenten gebildet. Jede Komponente reagiert unterschiedlich und unabhängig auf eine abgestrahlte elektromagnetische Welle, wenn sie sich durch das Material bewegt. Da diese Komponenten kleiner als die abgestrahlte Wellenlänge sind, versteht es sich, dass eine makroskopische Ansicht einen effektiven Wert sowohl für die Permittivität als auch für die Permeabilität enthält.

Verbundwerkstoff

Im Jahr 2000 David R. Smith ‚s Team von UCSD Forschern produzierte eine neue Klasse von Verbundmaterialien durch eine Struktur auf eine Leiterplatte - Substrat Abscheiden aus einer Reihe von dünnem Kupfer Split-Ringen und gewöhnlichen Drahtsegmente besaiten parallel zu dem Ringe. Dieses Material zeigte ungewöhnliche physikalische Eigenschaften , die in der Natur nie beobachtet worden waren. Diese Materialien gehorchen den Gesetzen der Physik , verhalten sich jedoch anders als normale Materialien. Im Wesentlichen wurde festgestellt, dass diese Metamaterialien mit negativem Index viele der physikalischen Eigenschaften umkehren können , die das Verhalten gewöhnlicher optischer Materialien bestimmen. Eine dieser ungewöhnlichen Eigenschaften ist die Fähigkeit, das Snellsche Brechungsgesetz zum ersten Mal umzukehren . Bis zum Nachweis des negativen Brechungsindex für Mikrowellen durch das UCSD-Team war das Material nicht verfügbar. Fortschritte in den neunziger Jahren bei den Fertigungs- und Rechenfähigkeiten ermöglichten die Konstruktion dieser ersten Metamaterialien . So wurde das "neue" Metamaterial 30 Jahre zuvor auf die von Victor Veselago beschriebenen Effekte getestet . Studien dieses Experiments, die kurz danach folgten, zeigten, dass andere Effekte aufgetreten waren.

Mit Antiferromagneten und bestimmten Arten von isolierenden Ferromagneten ist eine effektive negative magnetische Permeabilität erreichbar, wenn eine Polaritonenresonanz vorliegt. Um einen negativen Brechungsindex zu erreichen, muss jedoch die Permittivität mit negativen Werten innerhalb des gleichen Frequenzbereichs auftreten. Der künstlich hergestellte Split-Ring-Resonator ist ein Design, das dies zusammen mit dem Versprechen, hohe Verluste zu dämpfen, erreicht. Bei dieser ersten Einführung des Metamaterials scheinen die entstandenen Verluste geringer zu sein als bei antiferromagnetischen oder ferromagnetischen Materialien.

Bei der ersten Demonstration im Jahr 2000 war das Verbundmaterial (NIM) auf die Übertragung von Mikrowellenstrahlung mit Frequenzen von 4 bis 7 Gigahertz (Wellenlängen von 4,28 bis 7,49 cm) beschränkt. Dieser Bereich liegt zwischen der Frequenz des Haushaltsmikrowellengeräte ( ~ 2,45   GHz , 12,23 cm) und militärische Radarsysteme (~ 10 GHz, 3 cm). Bei nachgewiesenen Frequenzen setzen sich Impulse elektromagnetischer Strahlung , die sich in einer Richtung durch das Material bewegen, aus Teilwellen zusammen, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

Das Metamaterial wurde als periodische Anordnung von Kupfer- Spaltring- und Drahtleitelementen konstruiert, die auf einem Leiterplattensubstrat abgeschieden waren. Das Design war so, dass die Zellen und der Gitterabstand zwischen den Zellen viel kleiner waren als die abgestrahlte elektromagnetische Wellenlänge . Daher verhält es sich wie ein wirksames Medium . Das Material hat sich bemerkenswert, weil seine Bereich von (effektiv) Permittivität ε eff und Permeabilität μ eff - Werte diejenigen gefunden in jedem gewöhnlichen Material überschritten. Darüber hinaus ist die Eigenschaft der negativen (effektiven) Permeabilität, die durch dieses Medium gezeigt wird, besonders bemerkenswert, da sie in gewöhnlichen Materialien nicht gefunden wurde. Darüber hinaus stehen die negativen Werte für die magnetische Komponente in direktem Zusammenhang mit ihrer linkshändigen Nomenklatur und ihren Eigenschaften (siehe Abschnitt unten). Der Split-Ring-Resonator (SRR), der auf dem theoretischen Artikel von 1999 basiert, ist das Werkzeug, mit dem eine negative Permeabilität erreicht wird. Dieses erste zusammengesetzte Metamaterial besteht dann aus Spaltringresonatoren und elektrisch leitenden Pfosten.

Diese Materialien wurden zunächst nur bei Wellenlängen nachgewiesen, die länger sind als im sichtbaren Spektrum . Darüber hinaus wurden frühe NIMs aus undurchsichtigen Materialien hergestellt und üblicherweise aus nichtmagnetischen Bestandteilen hergestellt. Zur Veranschaulichung: Wenn diese Materialien jedoch mit sichtbaren Frequenzen konstruiert sind und eine Taschenlampe auf die resultierende NIM-Platte gerichtet ist, sollte das Material das Licht auf einen Punkt auf der anderen Seite fokussieren . Dies ist mit einer Folie aus gewöhnlichem undurchsichtigem Material nicht möglich. 2007 schuf das NIST in Zusammenarbeit mit dem Atwater Lab von Caltech das erste NIM, das bei optischen Frequenzen aktiv ist. In jüngerer Zeit (Stand 2008) wurden geschichtete "Fischnetz" -NIM-Materialien aus Silizium- und Silberdrähten in optische Fasern integriert, um aktive optische Elemente zu erzeugen.

Gleichzeitige negative Permittivität und Permeabilität

Eine negative Permittivität ε eff <0 wurde bereits vor dem ersten Metamaterial in Metallen für Frequenzen bis zur Plasmafrequenz entdeckt und realisiert . Es gibt zwei Anforderungen , um einen negativen Brechungswert zu erreichen . Erstens soll ein Material hergestellt werden, das eine negative Permeabilität μ eff <0 erzeugen kann . Zweitens müssen negative Werte sowohl für die Permittivität als auch für die Permeabilität gleichzeitig über einen gemeinsamen Frequenzbereich auftreten.

Daher wird für die erste Metamaterial, die Schrauben und Muttern sind eine Split-Ringresonator elektromagnetisch mit einem (elektrischen) Leitfähigkeits Post kombiniert. Diese sind so ausgelegt, dass sie bei bestimmten Frequenzen mitschwingen, um die gewünschten Werte zu erreichen. Betrachtet man den Aufbau des Spaltrings, so ist das zugehörige Magnetfeldmuster aus dem SRR dipolar . Dieses dipolare Verhalten ist bemerkenswert, weil es bedeutet, dass es das Atom der Natur nachahmt , jedoch in einem viel größeren Maßstab, wie in diesem Fall bei 2,5 Millimetern . Atome existieren auf der Skala von Pikometern .

Die Teilungen in den Ringen erzeugen eine Dynamik, bei der die SRR-Einheitszelle bei abgestrahlten Wellenlängen, die viel größer als der Durchmesser der Ringe sind, resonant gemacht werden kann . Wenn die Ringe geschlossen wären, würde eine halbe Wellenlängengrenze als Voraussetzung für die Resonanz elektromagnetisch auferlegt .

Die Aufteilung im zweiten Ring ist entgegengesetzt zur Aufteilung im ersten Ring ausgerichtet. Es dient dazu, eine große Kapazität zu erzeugen , die in der kleinen Lücke auftritt. Diese Kapazität verringert die Resonanzfrequenz erheblich, während das elektrische Feld konzentriert wird . Das rechts abgebildete einzelne SRR hatte eine Resonanzfrequenz von 4,845 GHz , und die in der Grafik eingefügte Resonanzkurve ist ebenfalls dargestellt. Die Strahlungsverluste von Absorption und Reflexion werden zur Kenntnis genommen , klein zu sein, da die Geräteabmessungen wesentlich kleiner als die sind freie Raum abgestrahlte Wellenlänge .

Wenn diese Einheiten oder Zellen zu einer periodischen Anordnung kombiniert werden , wird die magnetische Kopplung zwischen den Resonatoren verstärkt und es tritt eine starke magnetische Kopplung auf . Es zeigen sich Eigenschaften, die im Vergleich zu gewöhnlichen oder herkömmlichen Materialien einzigartig sind. Zum einen erzeugt diese periodisch starke Kopplung ein Material, das nun als Reaktion auf das einfallende Magnetfeld eine effektive magnetische Permeabilität μ eff aufweist .

Durchlassband aus Verbundmaterial

Bei der grafischen Darstellung der allgemeinen Dispersionskurve tritt ein Ausbreitungsbereich von Null bis zu einer unteren Bandkante auf , gefolgt von einer Lücke und einem oberen Durchlassbereich . Das Vorhandensein einer 400-MHz- Lücke zwischen 4,2 GHz und 4,6 GHz impliziert ein Frequenzband, in dem μ eff <0 auftritt.

( Bitte beachten Sie das Bild im vorherigen Abschnitt )

Wenn außerdem Drähte symmetrisch zwischen den Spaltringen hinzugefügt werden, tritt ein Durchlassbereich innerhalb des zuvor verbotenen Bandes der Spaltringdispersionskurven auf. Dass dieser Durchlassbereich innerhalb eines zuvor verbotenen Bereich eintritt zeigt an, dass die negativen ε eff für diese Region mit der negativen verbunden hat μ eff Ausbreitung zu ermöglichen, die Passungen mit theoretischen Vorhersagen. Mathematisch führt die Dispersionsrelation überall zu einem Band mit negativer Gruppengeschwindigkeit und einer von der Plasmafrequenz unabhängigen Bandbreite unter den angegebenen Bedingungen.

Mathematische Modellierung und Experimente haben gezeigt , dass sowohl die leitenden Elemente periodisch angeordnet (nicht magnetisch von der Natur) reagieren überwiegend auf die magnetische Komponente der einfallenden elektromagnetischen Feldern . Das Ergebnis ist ein effektives Medium und ein negativer μ- Effekt über ein Frequenzband. Es wurde verifiziert, dass die Permeabilität der Bereich des verbotenen Bandes ist, in dem die Ausbreitungslücke auftrat - von einem endlichen Materialabschnitt. Dies wurde mit einem Material mit negativer Permittivität, & epsi ; eff <0, kombiniert , um ein "linkshändiges" Medium zu bilden, das ein Ausbreitungsband mit negativer Gruppengeschwindigkeit bildete, wo zuvor nur eine Dämpfung auftrat. Dies bestätigte Vorhersagen. Darüber hinaus wurde in einer späteren Arbeit festgestellt, dass dieses erste Metamaterial einen Frequenzbereich aufweist, über den der Brechungsindex für eine Ausbreitungsrichtung als negativ vorhergesagt wurde (siehe Lit. #). Andere vorhergesagte elektrodynamische Effekte sollten in anderen Untersuchungen untersucht werden.

Beschreibung eines linkshändigen Materials

Ein Vergleich der Brechung in einem Metamaterial mit negativem Index mit dem in einem herkömmlichen Material mit demselben, aber positiven Brechungsindex. Der einfallende Strahl θ tritt aus der Luft ein und wird in einem normalen (θ ') oder Metamaterial (-θ') gebrochen.

Aus den Schlussfolgerungen im obigen Abschnitt kann ein linkshändiges Material (LHM) definiert werden. Es ist ein Material, das gleichzeitig negative Werte für die Permittivität & egr; und die Permeabilität & mgr; in einem überlappenden Frequenzbereich aufweist. Da die Werte aus den Wirkungen des gesamten Verbundmediumsystems abgeleitet werden , werden diese als effektive Permittivität & egr ; eff und effektive Permeabilität & mgr ; eff definiert . Es werden dann reelle Werte abgeleitet, um den Wert des negativen Brechungsindex und der Wellenvektoren zu bezeichnen . Dies bedeutet, dass in der Praxis Verluste für ein bestimmtes Medium auftreten, das zur Übertragung elektromagnetischer Strahlung wie beispielsweise Mikrowellen- oder Infrarotfrequenzen oder sichtbarem Licht verwendet wird . In diesem Fall beschreiben reale Werte entweder die Amplitude oder die Intensität einer übertragenen Welle relativ zu einer einfallenden Welle, während die vernachlässigbaren Verlustwerte ignoriert werden.

Isotroper negativer Index in zwei Dimensionen

In den obigen Abschnitten wurde zuerst hergestelltes Metamaterial mit Resonanzelementen konstruiert , die eine Einfalls- und Polarisationsrichtung zeigten . Mit anderen Worten zeigte diese Struktur eine Ausbreitung für Linkshänder in einer Dimension. Dies wurde in Bezug auf Veselagos wegweisende Arbeit 33 Jahre zuvor (1967) diskutiert. Er sagte voraus, dass die Eigenschaften eines Materials, das negative Werte für die effektive Permittivität und Permeabilität aufweist , verschiedene Arten von Phänomenen der umgekehrten Physik sind . Daher bestand damals ein kritischer Bedarf an höherdimensionalen LHMs, um die Theorie von Veselago wie erwartet zu bestätigen. Die Bestätigung würde die Umkehrung des Snellschen Gesetzes (Brechungsindex) zusammen mit anderen umgekehrten Phänomenen beinhalten.

Anfang 2001 wurde über das Vorhandensein einer höherdimensionalen Struktur berichtet. Es war zweidimensional und wurde sowohl durch Experiment als auch durch numerische Bestätigung demonstriert. Es war ein LHM , ein Verbundwerkstoff aus Drahtstreifen, die in einer periodischen Konfiguration hinter den Split-Ring-Resonatoren (SRRs) montiert waren. Es wurde ausdrücklich für den Zweck geschaffen, für weitere Experimente geeignet zu sein, um die von Veselago vorhergesagten Effekte zu erzielen.

Experimentelle Überprüfung eines negativen Brechungsindex

Split-Ring-Resonator, bestehend aus einem inneren Quadrat mit einer Aufteilung auf einer Seite, eingebettet in ein äußeres Quadrat mit einer Aufteilung auf der anderen Seite. Split-Ring-Resonatoren befinden sich auf der Vorder- und rechten Fläche des quadratischen Gitters, und einzelne vertikale Drähte befinden sich auf der Rückseite und der linken Fläche.

Eine 1967 vom sowjetischen Physiker Victor Veselago veröffentlichte theoretische Arbeit zeigte, dass ein Brechungsindex mit negativen Werten möglich ist und dass dies nicht gegen die Gesetze der Physik verstößt. Wie zuvor (oben) diskutiert, hatte das erste Metamaterial einen Frequenzbereich, über den vorhergesagt wurde, dass der Brechungsindex für eine Ausbreitungsrichtung negativ ist . Es wurde im Mai 2000 berichtet.

Im Jahr 2001 konstruierte ein Forscherteam ein Prisma aus Metamaterialien (Metamaterialien mit negativem Index), um den negativen Brechungsindex experimentell zu testen. Das Experiment verwendete einen Wellenleiter, um die richtige Frequenz zu übertragen und das Material zu isolieren. Dieser Test hat sein Ziel erreicht, weil er einen negativen Brechungsindex erfolgreich verifiziert hat.

Der experimentellen Demonstration des negativen Brechungsindex folgte 2003 eine weitere Demonstration einer Umkehrung des Snellschen Gesetzes oder einer umgekehrten Brechung. In diesem Experiment liegt der negative Brechungsindex im freien Raum jedoch im freien Raum von 12,6 bis 13,2 GHz. Obwohl der abgestrahlte Frequenzbereich ungefähr gleich ist, ist eine bemerkenswerte Unterscheidung, dass dieses Experiment im freien Raum durchgeführt wird, anstatt Wellenleiter zu verwenden.

Um die Echtheit der negativen Brechung zu fördern, wurde der Leistungsfluss einer Welle, die durch ein dispersives linkshändiges Material übertragen wurde, berechnet und mit einem dispersiven rechtshändigen Material verglichen. Die Übertragung eines einfallenden Feldes, das aus vielen Frequenzen besteht, von einem isotropen nichtdispersiven Material in ein isotropes dispersives Medium wird angewendet. Die Richtung des Leistungsflusses sowohl für nichtdispersive als auch für dispersive Medien wird durch den zeitgemittelten Poynting-Vektor bestimmt . Durch explizite Berechnung des Poynting-Vektors im LHM wurde gezeigt, dass eine negative Brechung für Mehrfrequenzsignale möglich ist.

Grundlegende elektromagnetische Eigenschaften des NIM

In einer Platte aus herkömmlichem Material mit einem gewöhnlichen Brechungsindex - einem rechtshändigen Material (RHM) - wird die Wellenfront von der Quelle weg übertragen. In einem NIM bewegt sich die Wellenfront in Richtung der Quelle. Die Größe und Richtung des Energieflusses bleibt jedoch sowohl im normalen Material als auch im NIM im Wesentlichen gleich. Da der Energiefluss in beiden Materialien (Medien) gleich bleibt, entspricht die Impedanz des NIM dem RHM. Daher ist das Vorzeichen der Eigenimpedanz in einem NIM immer noch positiv.

Auf ein linkshändiges Material oder NIM einfallendes Licht wird auf die gleiche Seite wie der einfallende Strahl gebogen, und damit das Snellsche Gesetz gilt, sollte der Brechungswinkel negativ sein. In einem passiven Metamaterialmedium bestimmt dies einen negativen Real- und Imaginärteil des Brechungsindex.

Negativer Brechungsindex in linkshändigen Materialien

Die linkshändige Ausrichtung wird links und die rechtshändige rechts angezeigt.

1968 zeigte Victor Veselagos Arbeit, dass die entgegengesetzten Richtungen der Wellen der EM- Ebene und des Energieflusses aus den einzelnen Maxwell-Curl-Gleichungen abgeleitet wurden . In gewöhnlichen optischen Materialien zeigt die Kräuselungsgleichung für das elektrische Feld eine "Rechtsregel" für die Richtungen des elektrischen Feldes E , der magnetischen Induktion B und der Wellenausbreitung, die in Richtung des Wellenvektors k verläuft . Die durch E × H gebildete Richtung des Energieflusses ist jedoch nur dann rechtshändig, wenn die Permeabilität größer als Null ist . Dies bedeutet, dass bei einer Permeabilität von weniger als Null, z. B. negativ , die Wellenausbreitung umgekehrt (bestimmt durch k) und entgegen der Richtung des Energieflusses ist. Darüber hinaus bilden die Beziehungen der Vektoren E , H und k ein " linkshändiges" System - und es war Veselago, der den Begriff "linkshändiges" (LH) Material geprägt hat, der heute (2011) weit verbreitet ist. Er behauptete, dass ein LH-Material einen negativen Brechungsindex habe und stützte sich auf die stationären Lösungen der Maxwellschen Gleichungen als Zentrum für seine Argumentation.

Nach einer 30-jährigen Lücke, als LH-Materialien endlich demonstriert wurden, konnte gesagt werden, dass die Bezeichnung des negativen Brechungsindex nur für LH-Systeme gilt. auch im Vergleich zu photonischen Kristallen . Photonische Kristalle können wie viele andere bekannte Systeme ein ungewöhnliches Ausbreitungsverhalten wie die Umkehrung von Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten aufweisen. Eine negative Brechung tritt in diesen Systemen jedoch nicht und in photonischen Kristallen noch nicht realistisch auf.

Negative Brechung bei optischen Frequenzen

Der negative Brechungsindex im optischen Bereich wurde erstmals 2005 von Shalaev et al. (bei der Telekommunikationswellenlänge λ = 1,5 μm) und von Brueck et al. (bei λ = 2 μm) fast gleichzeitig.

Bis Juli 2013 haben mehrere anomale Studien eine negative Brechung bei einzelnen Frequenzen im sichtbaren Spektrum angekündigt , aber die Ergebnisse einiger dieser Demonstrationen werden von späteren Studien als nicht eindeutig angesehen.

Experimentelle Überprüfung der umgekehrten Cherenkov-Strahlung

Neben umgekehrten Werten für den Brechungsindex sagte Veselago das Auftreten einer umgekehrten Cherenkov-Strahlung (auch einfach als CR bekannt) in einem linkshändigen Medium voraus . 1934 entdeckte Pavel Cherenkov eine kohärente Strahlung , die auftritt, wenn bestimmte Arten von Medien von sich schnell bewegenden Elektronenstrahlen bombardiert werden. 1937 besagte eine um CR aufgebaute Theorie, dass CR, wenn geladene Teilchen wie Elektronen mit einer Geschwindigkeit durch ein Medium wandern, die schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit im Medium, nur dann strahlt. Wenn die CR auftritt, wird elektromagnetische Strahlung in einer Kegelform emittiert, die sich in Vorwärtsrichtung ausbreitet.

CR und die Theorie von 1937 haben zu einer Vielzahl von Anwendungen in der Hochenergiephysik geführt. Eine bemerkenswerte Anwendung sind die Cherenkov-Zähler. Diese werden verwendet, um verschiedene Eigenschaften eines geladenen Teilchens wie Geschwindigkeit, Ladung, Bewegungsrichtung und Energie zu bestimmen. Diese Eigenschaften sind wichtig für die Identifizierung verschiedener Partikel. Zum Beispiel wurden die Zähler bei der Entdeckung des Antiproton und des J / ψ-Mesons verwendet . Bei der Entdeckung des J / ψ-Mesons wurden sechs große Cherenkov-Zähler verwendet.

Es war schwierig, die umgekehrte Cherenkov-Strahlung experimentell nachzuweisen.

Andere Optiken mit NIMs

Theoretische Arbeiten sowie numerische Simulationen begannen Anfang der 2000er Jahre mit den Fähigkeiten von DNG-Platten zur Subwellenlängenfokussierung . Die Forschung begann mit Pendrys vorgeschlagenem " Perfect Lens ". Mehrere Forschungsuntersuchungen, die Pendry folgten, kamen zu dem Schluss, dass die "perfekte Linse" theoretisch möglich, aber unpraktisch war. Eine Richtung bei der Subwellenlängenfokussierung war die Verwendung von Metamaterialien mit negativem Index, die jedoch auf den Verbesserungen für die Bildgebung mit Oberflächenplasmonen beruhten. In einer anderen Richtung untersuchten die Forscher paraxiale Approximationen von NIM-Platten.

Auswirkungen von negativ brechenden Materialien

Das Vorhandensein von negativen Brechungsmaterialien kann zu einer Änderung der elektrodynamischen Berechnungen für den Fall der Permeabilität μ = 1 führen. Eine Änderung von einem herkömmlichen Brechungsindex zu einem negativen Wert führt zu falschen Ergebnissen für herkömmliche Berechnungen, da einige Eigenschaften und Effekte geändert wurden. Wenn die Permeabilität μ andere Werte als 1 hat, beeinflusst dies das Snell-Gesetz , den Doppler-Effekt , die Cherenkov-Strahlung , die Fresnel-Gleichungen und das Fermat-Prinzip .

Der Brechungsindex ist grundlegend für die Wissenschaft der Optik. Die Verschiebung des Brechungsindex auf einen negativen Wert kann ein Grund sein, die Interpretation einiger Normen oder Grundgesetze zu überdenken oder zu überdenken .

US-Patent für linkshändige Verbundmedien

Das erste US-Patent, das für ein hergestelltes Metamaterial erteilt wurde , ist das US-Patent 6,791,432 mit dem Titel "Linkshändige Verbundmedien". Die aufgeführten Erfinder sind David R. Smith , Sheldon Schultz , Norman Kroll und Richard A. Shelby .

Die Erfindung erreicht eine gleichzeitige negative Permittivität und Permeabilität über ein gemeinsames Frequenzband. Das Material kann Medien integrieren, die bereits zusammengesetzt oder kontinuierlich sind, aber eine negative Permittivität und Permeabilität innerhalb desselben Frequenzspektrums erzeugen. Verschiedene Arten von kontinuierlichen oder zusammengesetzten können als geeignet angesehen werden, wenn sie für den gewünschten Effekt kombiniert werden. Der Einschluss einer periodischen Anordnung von leitenden Elementen ist jedoch bevorzugt. Das Array streut elektromagnetische Strahlung bei Wellenlängen, die länger als die Größe des Elements und der Gitterabstand sind. Das Array wird dann als effektives Medium angesehen .

Anomale Dispersion

Ausbreitung eines Gaußschen Lichtimpulses durch ein anomales Dispersionsmedium. Die Geschwindigkeit der Informationsübertragung ist jedoch immer auf c begrenzt .

Siehe auch

Fachzeitschriften
Metamaterialien Bücher

Anmerkungen

 Dieser Artikel enthält  gemeinfreies Material von Websites oder Dokumenten der Regierung der Vereinigten Staaten . - NIST

Verweise

Weiterführende Literatur

Externe Links