Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Метаматериалы и нанотехнология Физики научились делать материалы с удивительными свойствами. Явления полного внутреннего отражения света в прозрачных средах, возникающие в тонких плёнках из материалов, созданных с применением нанотехнологий, могут быть использованы для управления сверхкороткими лазерными и радиоимпульсами. А покрытия из этих материалов, нанесённые на предмет, могут сделать его «невидимым».

2 слайд

Описание слайда:

Отрицательный показательпреломления. Преломление света на границе с материалом, имеющим отрицательный показатель преломления. A. В природе при пересечении границы двух сред падающий на неё наклонно луч всегда продолжает своё движение в исходную сторону, просто немного под другим углом – большим или меньшим, в зависимости от соотношения коэффициентов преломления. B. При пересечении границы с метаматериалом, имеющим отрицательный коэффициент преломления, луч как будто «отражается» от перпендикуляра в точке пересечения – то есть он продолжает движение внутрь метаматериала, но если он падал сверху слева, дальше вниз он пойдёт не направо, а обратно налево.

3 слайд

Описание слайда:

Закон Снеллиуса: Если показатель преломления отрицательный, то луч преломляется в другую сторону

4 слайд

Описание слайда:

«Противоестественно?». В природе материалов с отрицательным коэффициентом преломления нет, поэтому картинки, иллюстрирующие работу таких сред, выглядят «противоестественно».

5 слайд

Описание слайда:

Необходимо, чтобы элементы метаматериала имели размер 10-100 нм (много меньше длины волны).

6 слайд

Описание слайда:

Оптический микроскоп Физики из Манчестера и Сингапура сконструировали оптический микроскоп с рекордной разрешающей способностью, который позволяет различать 50-нанометровые детали изображения. Новый «наноскоп» работает по тому же принципу, но не использует метаматериалы, место которых занимают простые прозрачные сферы диаметром в несколько микрометров, выполненные, к примеру, из диоксида кремния. Проведённые опыты убедительно доказывают, что размещение таких сфер на поверхности образцов значительно улучшает качество изображений Схема и микроснимок "рыбацкой сети",

7 слайд

Описание слайда:

Ученые создали новый \"плащ-невидимку\" Предложен новый дизайн плаща-невидимки: он состоит из стеклянных цилиндров и способен «спрятать» металлический стержень диаметром 15 мкм. Прятаться за таким стеклом, правда, можно будет только от инфракрасного глаза: невидимость в более широком диапазоне длин волн пока обеспечить не удается.

8 слайд

Описание слайда:

Шапка-невидимка До сих пор шапка-невидимка была уделом сказочников и фантастов. Однако с недавних пор все изменилось, и поиск "шапки-невидимки" стал излюбленным занятием некоторых физиков - новым перспективным направлением науки. Дуэт публикаций в Science и Nature описывает объёмные наноматериалы, в которых лучи света гнутся в «неправильную» сторону и при этом не поглощаются до такой степени, что на выходе ничего не остаётся. До сих пор именно сильное поглощение было одной из главных проблем.

Так соборы кристаллов сверхжизненных
Добросовестный свет-паучок,
Распуская на ребра, их сызнова
Собирает в единый пучок.
О.Мандельштам

Детская задачка «Что тяжелее, килограмм ваты или килограмм железных опилок?» поставит в затруднение разве что несообразительного первоклассника. Гораздо интереснее порассуждать на тему: «Какими свойствами будет обладать материал, который мы получим, если тщательно смешаем мелко измельченную вату и железные опилки?» Интуитивно понятно: чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить свойства железа и ваты, после чего можно с уверенностью утверждать, что полученный материал наверняка будет, например, реагировать на присутствие магнита и воды. Однако всегда ли свойства многофазного материала определяются исключительно свойствами образующих его компонентов? Хочется ответить на этот вопрос положительно, ведь сложно представить себе, скажем, смесь диэлектриков (например, опилок и пенопластовых шариков), которая проводит электрический ток.

«Такое бывает только в сказках!» - постарается реабилитироваться первоклассник, вспомнив многочисленных колдунов и волшебниц из детских сказок, которые, смешивая всевозможные мухоморы, лягушачьи лапки и крылья летучих мышей, получали магические порошки, волшебные свойства которых, строго говоря, мухоморам и лягушачьим лапкам несвойственны. Впрочем, как это ни удивительно, современная наука знает примеры того, как совмещение вполне заурядных материалов позволяет создавать объекты, свойства которых не только не присущи используемым компонентам, но, в принципе, не могут быть найдены в природе и, как может показаться на первый взгляд, запрещены законами физики. «Это чудо!», - скажет первоклассник. «Нет, это метаматериалы!» - возразит современный ученый. И оба будут по-своему правы, потому что с точки зрения классической науки метаматериалы способны творить самые настоящие чудеса. Впрочем, сам процесс создания метаматериала тоже подобен волшебству, т.к. компоненты метаматериала недостаточно просто смешать, их необходимо правильно структурировать.

Метаматериалы - это композитные материалы, свойства которых обусловлены не столько индивидуальными физическими свойствами их компонентов, сколько микроструктурой. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению к тем композитам, которые демонстрируют свойства, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе.

Одним из наиболее горячо обсуждаемых в последнее время типов метаматериалов являются объекты с отрицательным показателем преломления. Из курса школьной физики хорошо известно, что показатель преломления среды (n ) является величиной, показывающей во сколько раз фазовая скорость электромагнитного излучения в среде (V ) меньше скорости света в вакууме (c ): n = c / V . Показатель преломления вакуума равен 1 (что, собственно, следует из определения), тогда как для большинства оптических сред он больше. Например, обычное силикатное стекло имеет показатель преломления 1.5, а значит, свет распространяется в нем со скоростью в 1.5 раза меньше, чем в вакууме. Важно отметить, что в зависимости от длины волны электромагнитного излучения величина n может различаться.

Чаще всего о коэффициенте преломления материала вспоминают тогда, когда рассматривают эффект преломлении света на границе раздела двух оптических сред. Данное явление описывается законом Снеллиуса:

n 1 ·sinα = n 2 ·sinβ,

где α - угол падения света, пришедшего из среды с показателем преломления n 1 , а β - угол преломления света в среде с показателем преломления n 2 .

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 (Рис.1а). Однако если формально подставить в закон Снеллиуса n 2 <0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

На теоретическую возможность существования уникальных материалов с отрицательным показателем преломления указал советский физик В.Веселаго почти 40 лет назад. Дело в том, что коэффициент преломления связан с двумя другими фундаментальными характеристиками вещества, диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ, простым соотношением: n 2 = ε·μ. Несмотря на то, что данному уравнению удовлетворяют как положительные, так и отрицательные значения n, ученые долго отказывались верить в физический смысл последних - до тех пор, пока Веселаго не показал, что n < 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны - это любой металл при частотах выше плазменной частоты (при которой металл становится прозрачным). 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. Именно по этой причине работы Веселаго долгое время не привлекали должного внимания научной общественности. Прошло 30 лет, прежде чем английский ученый Д.Пендри (John Pendry) в 1999 г. показал, что отрицательная магнитная проницаемость может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L, а зазору соответствует эффективная емкость С, систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой ω 0 ~ 1/(LC) -1/2 . При этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω 0 и отрицательным при ω > ω 0 .

Таким образом, возможны системы с отрицательным откликом как на электрическую, так и на магнитную компоненту электромагнитного излучения. Объединить обе системы в одном материале впервые удалось американским исследователям под руководством Д.Смита (David Smith) в 2000г. Созданный метаматериал состоял из металлических стержней, ответственных за ε < 0, и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0. Несомненно, структуру, изображенную на Рис.2, сложно назвать материалом в традиционном смысле этого слова, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Между тем, данная структура «оптимизирована» для микроволнового излучения, длина волны которого значительного больше отдельных структурных элементов метаматериала. Поэтому с точки зрения микроволн последний также однороден, как например, оптическое стекло для видимого света. Последовательно уменьшая размеры структурных элементов можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцового и инфракрасного диапазонов спектра. Ученые ожидают, что благодаря достижениям современных нанотехнологий в самое ближайшее время будут созданы метаматериалы и для видимого диапазона спектра.

С точки зрения физики метаматериалы с отрицательным показателем преломления являются антиподами обычных материалов. В случае отрицательного показателя преломления происходит обращение фазовой скорости электромагнитного излучения; допплеровский сдвиг происходит в противоположную сторону; черенковское излучение от движущейся заряженной частицы происходит не вперед, а назад; собирающие линзы становятся рассеивающими и наоборот... И все это - лишь небольшая часть тех удивительных явлений, которые возможны для метаматериалов с отрицательным показателем преломления. Практическое использование таких материалов, в первую очередь, связано с возможностью создания на их основе терагерцовой оптики, что, в свою очередь, приведет к развитию метеорологии и океанографии, появлению радаров с новыми свойствами и средств всепогодной навигации, устройств дистанционной диагностики качества деталей и систем безопасности, позволяющих обнаружить под одеждой оружие, а также уникальных медицинских приборов.

Литература

D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.

МОСКВА, 26 сен — РИА Новости, Ольга Коленцова. Порой достижения современных технологий можно принять за волшебство. Только вместо магии работает точная наука. Одними из областей исследований, результаты которыхмогли бы вполне послужить иллюстрацией свойств "сказочных атрибутов", являются разработка и создание метаматериалов.

С чисто физической точки зрения метаматериалы представляютсобой искусственно сформированные и особым образом выстроенныеструктуры, обладающие недостижимыми в природе электромагнитными или оптическими свойствами.Последние определяются даже нехарактеристиками составляющих их веществ, а именно структурой.Ведь из одинаковых материалов можно построить похожие внешне дома, но один будет обладать отличной звукоизоляцией, а в другом вы будете слышать даже дыхание соседа из квартиры напротив. В чем же секрет? Только в умении строителя распоряжаться предоставленными средствами.

На данный момент материаловеды уже создали немало структур, свойства которых не встречаются в природе, хотя и не выходят за рамки физических законов. Например, один из созданных метаматериалов может управлять звуковыми волнами так ювелирно, что те удерживают в воздухе небольшой шарик. Он состоит из двух решеток, собранных при помощи кирпичиков, заполненных термопластовыми стержнями, которые уложены "змейкой". Звуковая волна фокусируется словно свет в линзе, и исследователи считают, что данное устройство позволит им развить управление звуком до возможности изменять его направление, как сейчас меняют ход светового луча при помощи оптики.

© Иллюстрация РИА Новости. А.Полянина

© Иллюстрация РИА Новости. А.Полянина

Другой метаматериал может перестраивать сам себя. Объект из него собирается без помощи рук, ведь изменение формы можно запрограммировать! Структура такого "умного" материала состоит из кубов, каждую стенку которых составляют два внешних слоя из полиэтилентерефталата и один внутренний из двусторонней клейкой ленты. Эта конструкция позволяет изменить форму, объем и даже жесткость объекта.

Но самыми удивительными свойствами обладают оптические метаматериалы, которые могут менять визуальное восприятие реальности. Они "работают" в диапазоне волн, которые видит человеческий глаз. Именно из таких материалов ученые создали ткань, из которой можно изготовить плащ-невидимку.

Правда, пока невидимым в оптическом диапазоне можно сделать только микрообъект.

Возможность создания материала с отрицательным углом преломления предсказалеще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго, но только сейчас появляются первые образцы реальных структур с такими свойствами. Благодаря отрицательному углупреломления , лучи света огибают объект, делая его невидимым. Таким образом, наблюдатель замечает лишь то, что происходит за спиной надевшего "чудесный" плащ.

© Фото: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley

© Фото: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley

Последнее достижение в создании оптических метаматериалов принадлежит российским ученым из НИТУ "МИСиС". Причем "ингредиенты" использовались самые обычные — воздух, стекло и вода. Работа ученых удостоилась публикации в одном из самых высокорейтинговых журналов мира Scientific Reports издательского дома Nature . , каждый такой образец может стоить тысячи евро, — подчеркнул научный сотрудник лаборатории "Сверхпроводящие метаматериалы" НИТУ "МИСиС", кандидат технических наук Алексей Башарин.— К тому же вероятность ошибки при формовании такой системы очень высока даже с применением самых высокоточных инструментов.Однако если создать более крупномасштабный материал, в котором будут не оптические (400-700 нм), а радиоволны(длиной в 7-8 см), физика процесса от такого масштабирования не изменится, зато технология их создания станет проще."

Изучая свойства созданных структур, авторы работы показали, что у такого типа веществ есть сразу несколько практических применений.Прежде всего это сенсоры сложных молекул, так как последние, попадая в поле метаматериала, начинают светиться. Таким способом можно определять даже единичные молекулы, что потенциально может существенно отразиться на развитии, например, судебной криминалистики. Кроме того, такой метаматериал можно использовать как светофильтр, выделяя из падающего излучения свет определенной длины.Еще он применим как основа для создания сверхнадежной магнитной памяти, потому что структура ячеек метаматериала не дает им перемагничивать друг друга и тем самым терять информацию.

Отношение скорости света с в вакууме к фазовой скорости v света в среде:

называется абсолютным показателем преломления этой среды.

ε - относительная диэлектрическая проницаемость,

μ - относительная магнитная проницаемость.

Для любой среды, кроме вакуума, величина n зависит от частоты света и состояния среды (её температуры, плотности и т.д.). Для разреженных сред (например, газов при нормальных условиях) .

Чаще всего о коэффициенте преломления материала вспоминают тогда, когда рассматривают эффект преломлении света на границе раздела двух оптических сред.

Данное явление описывается законом Снеллиуса :

где α - угол падения света, пришедшего из среды с показателем преломления n 1 , а β - угол преломления света в среде с показателем преломления n 2 .

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. Однако если формально подставить в закон Снеллиуса n 2 <0 , реализуется следующая ситуация: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали.

На теоретическую возможность существования уникальных материалов с отрицательным показателем преломления указал советский физик В.Веселаго почти 40 лет назад. Дело в том, что коэффициент преломления связан с двумя другими фундаментальными характеристиками вещества, диэлектрической проницаемостью ε и магнитной проницаемостью μ , простым соотношением: n 2 = ε·μ . Несмотря на то, что данному уравнению удовлетворяют как положительные, так и отрицательные значения n, ученые долго отказывались верить в физический смысл последних - до тех пор, пока Веселаго не показал, что n < 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0 .

Природные материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью хорошо известны - это любой металл при частотах выше плазменной частоты (при которой металл становится прозрачным). 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.

Прошло 30 лет, прежде чем английский ученый Д.Пендри (John Pendry) в 1999 г. показал, что отрицательная магнитная проницаемость может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L , а зазору соответствует эффективная емкость С , систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой ω 0 ~ 1/(LC) -1/2 . При этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω 0 и отрицательным при ω > ω 0 .

Таким образом, возможны системы с отрицательным откликом как на электрическую, так и на магнитную компоненту электромагнитного излучения. Объединить обе системы в одном материале впервые удалось американским исследователям под руководством Д.Смита (David Smith) в 2000г. Созданный метаматериал состоял из металлических стержней, ответственных за ε < 0 , и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0 .

Несомненно, такую структуру сложно назвать материалом в традиционном смысле этого слова, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Между тем, данная структура «оптимизирована» для микроволнового излучения, длина волны которого значительного больше отдельных структурных элементов метаматериала. Поэтому с точки зрения микроволн последний также однороден, как например, оптическое стекло для видимого света. Последовательно уменьшая размеры структурных элементов можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцового (от 300 ГГц до 3 ТГц) и инфракрасного (от 1,5 ТГц до 400 ТГц) диапазонов спектра. Ученые ожидают, что благодаря достижениям современных нанотехнологий в самое ближайшее время будут созданы метаматериалы и для видимого диапазона спектра.

Практическое использование таких материалов, в первую очередь, связано с возможностью создания на их основе терагерцовой оптики, что, в свою очередь, приведет к развитию метеорологии и океанографии, появлению радаров с новыми свойствами и средств всепогодной навигации, устройств дистанционной диагностики качества деталей и систем безопасности, позволяющих обнаружить под одеждой оружие, а также уникальных медицинских приборов.

Свойства

Прохождение света через метаматериал с «левосторонним» коэффициентом преломления.

Одно из возможных свойств метаматериалов - отрицательный (или левосторонний) коэффициент (показатель) преломления , который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей .

Основы эффекта

Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:

где k {\displaystyle k} - волновой вектор, ω {\displaystyle \omega } - частота волны, c {\displaystyle c} - скорость света, n 2 = ϵ μ {\displaystyle n^{2}=\epsilon \mu } - квадрат показателя преломления. Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической и магнитной μ {\displaystyle \mu } проницаемостей среды никак не отразится на этих соотношениях.

«Правые» и «Левые» изотропные среды

Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла . Для сред, у которых диэлектрическая ϵ {\displaystyle \epsilon } и магнитная μ {\displaystyle \mu } восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля - электрический и магнитный и волновой образуют систему т. н. правых векторов:

Такие среды, соответственно, называют «правыми».

Среды, у которых ϵ {\displaystyle \epsilon } , μ {\displaystyle \mu } - одновременно отрицательные, называют «левыми». У таких сред электрический E → {\displaystyle {\vec {E}}} , магнитный H → {\displaystyle {\vec {H}}} и волновой вектора k → {\displaystyle {\vec {k}}} образуют систему левых векторов.

В англоязычной литературе описанные материалы могут называть right- и left-handed materials, или сокращённо RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.

Перенос энергии правой и левой волнами

Поток энергии, переносимой волной, определяется вектором Пойнтинга , который равен S → = (c / 4 π) [ E → H → ] {\displaystyle {\vec {S}}=(c/4\pi)\left[{\vec {E}}{\vec {H}}\right]} . Вектор S → {\displaystyle {\vec {S}}} всегда образует с векторами E → {\displaystyle {\vec {E}}} , H → {\displaystyle {\vec {H}}} правую тройку. Таким образом, для правых веществ S → {\displaystyle {\vec {S}}} и k → {\displaystyle {\vec {k}}} направлены в одну сторону, а для левых - в разные. Так как вектор k → {\displaystyle {\vec {k}}} совпадает по направлению с фазовой скоростью, то ясно, что левые вещества являются веществами с так называемой отрицательной фазовой скоростью. Иными словами, в левых веществах фазовая скорость противоположна потоку энергии. В таких веществах, например, наблюдается обращенный допплер-эффект и обратные волны .

Дисперсия левой среды

Существование отрицательного показателя среды возможно при наличии у неё частотной дисперсии. Если одновременно ϵ < 0 {\displaystyle \epsilon <0} , μ < 0 {\displaystyle \mu <0} , то энергия волны W = ϵ E 2 + μ H 2 {\displaystyle W=\epsilon E^{2}+\mu H^{2}} будет отрицательной(!). Единственная возможность избежать этого противоречия будет наличие у среды частотной дисперсии ∂ ϵ / ∂ ω {\displaystyle \partial \epsilon /\partial \omega } и ∂ μ / ∂ ω {\displaystyle \partial \mu /\partial \omega } .

Примеры распространения волны в левой среде