meta malzeme - Metamaterial

Bir metamalzeme (dan Yunan kelimenin μετά meta "ötesinde" anlamına ve Latince sözcük materia , anlamına gelen "madde" veya "maddi") herhangi bir malzeme doğal olarak oluşan malzemeler bulunmaz bir özelliğe sahip olacak şekilde üretilen. Metaller ve plastikler gibi kompozit malzemelerden yapılmış çok sayıda elemanın birleşiminden yapılırlar. Materyaller genellikle, etkiledikleri fenomenin dalga boylarından daha küçük ölçeklerde tekrar eden modellerde düzenlenir . Metamalzemeler, özelliklerini temel malzemelerin özelliklerinden değil, yeni tasarlanan yapılarından alır. Kesin şekli , geometrisi , boyutu , yönelimi ve düzeni onlara elektromanyetik dalgaları manipüle edebilen akıllı özelliklerini verir : geleneksel malzemelerle mümkün olanın ötesine geçen faydalar elde etmek için dalgaları bloke ederek, emerek, güçlendirerek veya bükerek.

Uygun şekilde tasarlanmış metamalzemeler, dökme malzemelerde gözlemlenmeyen bir şekilde elektromanyetik radyasyon veya ses dalgalarını etkileyebilir . Belirli dalga boyları için negatif bir kırılma indeksi sergileyenler, büyük miktarda araştırmanın odak noktası olmuştur. Bu malzemeler, negatif indeksli metamalzemeler olarak bilinir .

Metamalzemelerin potansiyel uygulamaları çeşitlidir ve optik filtreler , tıbbi cihazlar , uzak havacılık uygulamaları, sensör algılama ve altyapı izleme , akıllı güneş enerjisi yönetimi, kalabalık kontrolü , radomlar , yüksek frekanslı savaş alanı iletişimi ve yüksek kazançlı antenler için lensler, ultrasonik sensörlerin iyileştirilmesini içerir. ve hatta yapıları depremlerden korur . Metamalzemeler, süper lensler yaratma potansiyeli sunar . Böyle bir lens, geleneksel cam lensler tarafından elde edilebilen minimum çözünürlük olan kırınım sınırının altında görüntülemeye izin verebilir . Gradyan indeks malzemeleri kullanılarak bir 'görünmezlik' formu gösterildi . Akustik ve sismik metamalzemeler de araştırma alanlarıdır.

Metamalzeme araştırması disiplinlerarasıdır ve elektrik mühendisliği , elektromanyetik , klasik optik , katı hal fiziği , mikrodalga ve anten mühendisliği , optoelektronik , malzeme bilimleri , nanobilim ve yarı iletken mühendisliği gibi alanları içerir.

Tarih

Elektromanyetik dalgaları manipüle etmek için yapay malzemelerin keşifleri 19. yüzyılın sonunda başladı. Metamalzemeler olarak kabul edilebilecek en eski yapılardan bazıları, 1898'de kiral özelliklere sahip maddeleri araştıran Jagadish Chandra Bose tarafından incelenmiştir . Karl Ferdinand Lindman , yirminci yüzyılın başlarında yapay kiral ortam olarak metalik sarmallarla dalga etkileşimini inceledi .

1940'ların sonlarında, AT&T Bell Laboratories'den Winston E. Kock , metamalzemelere benzer özelliklere sahip materyaller geliştirdi. 1950'lerde ve 1960'larda, hafif mikrodalga antenler için yapay dielektrikler üzerinde çalışıldı . Mikrodalga radar soğurucuları 1980'lerde ve 1990'larda yapay kiral ortam uygulamaları olarak araştırıldı.

Negatif indeksli malzemeler ilk olarak 1967 yılında Victor Veselago tarafından teorik olarak tanımlanmıştır . Bu tür malzemelerin ışığı iletebildiğini kanıtlamıştır . Faz hızının Poynting vektörünün yönüne anti-paralel yapılabileceğini gösterdi . Bu, doğal olarak oluşan malzemelerde dalga yayılımına aykırıdır .

2000 yılında, John Pendry , sağ el kuralına uyulmayan bir malzeme olan solak bir meta malzeme yapmanın pratik bir yolunu bulan ilk kişiydi . Böyle bir malzeme, bir elektromanyetik dalganın , faz hızına karşı enerji (bir grup hızına sahip ) iletmesine izin verir . Pendry'nin fikri, bir dalganın yönü boyunca hizalanmış metalik tellerin negatif geçirgenlik sağlayabilmesiydi ( dielektrik fonksiyon ε < 0). Doğal malzemeler ( ferroelektrikler gibi ) negatif geçirgenlik gösterir; zorluk, negatif geçirgenlik elde etmekti (µ < 0). 1999'da Pendry, ekseni dalga yayılma yönü boyunca yerleştirilmiş bir bölünmüş halkanın (C şekli) bunu yapabileceğini gösterdi. Aynı makalede, periyodik bir dizi tel ve halkanın negatif kırılma indisine yol açabileceğini gösterdi. Pendry ayrıca ilgili bir negatif geçirgenlik tasarımı olan Swiss roll'u da önerdi .

2000 yılında David R. Smith ve ark. yatay olarak istifleme, periyodik , ayrık halka rezonatörleri ve ince tel yapıları ile işleyen elektromanyetik metamalzemelerin deneysel gösterimini bildirdi . 2002 yılında mikroşerit teknolojisinde yapay toplu eleman yüklü iletim hatları kullanılarak negatif indeksli metamalzemelerin gerçekleştirilmesi için bir yöntem sağlanmıştır . 2003 yılında, karmaşık (hem gerçek hem de hayali kısımları) negatif kırılma indeksi ve sol el metamalzemeleri kullanılarak düz lens ile görüntüleme gösterildi. 2007 yılına kadar, birçok grup tarafından negatif kırılma indeksi içeren deneyler yapıldı. Mikrodalga frekanslarında, ilk kusurlu görünmezlik pelerini 2006 yılında gerçekleştirilmiştir.

Elektromanyetik metamalzemeler

hakkında makaleler
elektromanyetizma
Elektrik Manyetizma Tarih ders kitapları
Elektrostatik Elektrik şarjı Coulomb yasası Orkestra şefi Yük yoğunluğu geçirgenlik Elektrik dipol momenti Elektrik alanı Elektrik potansiyeli Elektrik akısı  / potansiyel enerji Elektrostatik deşarj Gauss yasası indüksiyon Yalıtkan polarizasyon yoğunluğu Statik elektrik triboelektrik
manyetostatik Ampere yasası Biot-Savart yasası Gauss'un manyetizma yasası Manyetik alan manyetik akı Manyetik dipol momenti Manyetik geçirgenlik Manyetik skaler potansiyel manyetizasyon manyetomotor kuvvet Manyetik vektör potansiyeli Sağ el kuralı
Elektrodinamik Lorentz kuvvet yasası elektromanyetik indüksiyon Faraday yasası Lenz yasası deplasman akımı Maxwell denklemleri Elektromanyetik alan Elektromanyetik nabız Elektromanyetik radyasyon Maxwell tensörü vektör Liénard-Wiechert potansiyeli Jefimenko denklemleri girdap akımı Londra denklemleri Elektromanyetik alanın matematiksel açıklamaları
Elektrik ağı Alternatif akım kapasitans Doğru akım Elektrik akımı Elektroliz Akım yoğunluğu Joule ısıtma Elektrik hareket gücü İç direnç İndüktans Ohm yasası Paralel devre Direnç rezonans boşlukları Seri devre Voltaj dalga kılavuzları
kovaryant formülasyonu Elektromanyetik tensör ( stres-enerji tensörü ) dört akım Elektromanyetik dört potansiyel
Bilim insanları Amper biyot Coulomb Davy Einstein Faraday Fizeau Gauss Heaviside Henry Hertz Joule Lenz Lorentz Maxwell Örsted Ohm Ritchie Savart Şarkıcı tesla Volta Weber zehir
v T e

Bir elektromanyetik meta malzeme , dalga boyundan daha küçük olan yapısal özelliklerine çarpan veya bunlarla etkileşime giren elektromanyetik dalgaları etkiler . Etkili bir kırılma indisi ile doğru bir şekilde tanımlanan homojen bir malzeme gibi davranmak için özelliklerinin dalga boyundan çok daha küçük olması gerekir.

İçin mikrodalga radyasyon , özellikler sırasındadır milimetre . Mikrodalga frekansı meta malzemeleri genellikle uygun endüktif ve kapasitif özelliklere sahip elektriksel olarak iletken elemanların (tel halkaları gibi) dizileri olarak oluşturulur . Birçok mikrodalga meta malzemesi, ayrık halka rezonatörleri kullanır .

Fotonik metamalzemeler nanometre ölçeğinde yapılandırılmıştır ve ışığı optik frekanslarda manipüle eder . Fotonik kristaller ve kırınım ızgaraları , dielektrik aynalar ve optik kaplamalar gibi frekans seçici yüzeyler , dalga boyu altında yapılandırılmış metamalzemelerle benzerlikler gösterir . Bununla birlikte, işlevleri kırınım veya girişimden kaynaklandığından ve bu nedenle homojen bir malzeme olarak yaklaşılamadığından, bunlar genellikle metamalzemelerden farklı olarak kabul edilir. Ancak fotonik kristaller gibi malzeme yapıları görünür ışık tayfında etkilidir . Görünür spektrumun ortası yaklaşık 560 nm (güneş ışığı için) dalga boyuna sahiptir. Fotonik kristal yapılar genellikle bu boyutun yarısı veya daha küçüktür, yani <280 nm.

Plazmonik metamalzemeler , metallerin yüzeylerinde optik frekanslarda toplu olarak salınan elektrik yükü paketleri olan yüzey plazmonlarını kullanır .

Frekans seçici yüzeyler (FSS), dalga boyu altı özellikler sergileyebilir ve çeşitli şekillerde yapay manyetik iletkenler (AMC) veya Yüksek Empedanslı Yüzeyler (HIS) olarak bilinir . FSS, dalga boyu altı yapılarıyla doğrudan ilgili olan endüktif ve kapasitif özellikler gösterir.

Elektromanyetik metamalzemeler aşağıdaki gibi farklı sınıflara ayrılabilir:

Negatif kırılma indisi

Negatif indeksli metamalzemeler (NIM), negatif bir kırılma indeksi ile karakterize edilir. NIM'ler için diğer terimler arasında "solak medya", "negatif kırılma indisine sahip ortam" ve "geri dalgalı ortam" bulunur. Negatif kırılma indeksinin aynı anda negatif geçirgenlik ve negatif geçirgenlikten kaynaklandığı NIM'ler, çift negatif metamalzemeler veya çift negatif malzemeler (DNG) olarak da bilinir.

Gerçek bir dielektrik sabitleri ve geçirgenlik arasındaki ilişki ile de yaklaşımlı bir malzeme varsayarsak dielektrik , geçirgenlik ve kırılma indeksi n verilir . Bilinen tüm metamalzeme olmayan şeffaf malzemeler (cam, su, ...) pozitif ve . Geleneksel olarak, n için pozitif karekök kullanılır . Ancak, bazı mühendislik ürünü metamalzemelerde ve . Ürün Çünkü pozitif, n ise gerçek . Bu gibi durumlarda, n için negatif karekök almak gerekir . Hem ve hem de pozitif (negatif) olduğunda, dalgalar ileri ( geri ) yönde hareket eder. Elektromanyetik dalgalar , kırılma indisi sanal hale geldiğinden, zıt işaretli ve zıt işaretli malzemelerde yayılamaz . Bu tür malzemeler elektromanyetik radyasyon için opaktır ve örnekler arasında metaller ( altın , gümüş , ...) gibi plazmonik malzemeler bulunur . ${\displaystyle \epsilon _{r}}$ ${\görüntüleme stili \mu _{r}}$ ${\displaystyle \scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{\mathrm {r} }\mu _{\mathrm {r} }}}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\displaystyle \mu _{r}<0}$${\displaystyle \epsilon _{r}\mu _{r}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$

Yukarıdaki hususlar, karmaşık değerli ve . Her iki gerçek parça ve gösterge negatif kırılma için pasif bir malzeme için negatif olmak zorunda değildir. Aslında, dairesel polarize dalgalar için negatif bir kırılma indisi de kiraliteden kaynaklanabilir. Negatif n içeren metamalzemeler çok sayıda ilginç özelliğe sahiptir: ${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$

• Snell yasası ( n ₁ sin θ ₁ = n ₂ sin θ ₂ ) hala kırılmayı tanımlar, ancak n ₂ negatif olduğundan, gelen ve kırılan ışınlar pozitif ve negatif indeksli malzemelerin bir ara yüzeyinde normal yüzeyin aynı tarafındadır.
• Cherenkov radyasyonu diğer tarafa işaret ediyor.
• Zaman ortalamalı Poynting vektörü olan anti-paralel için faz hızı . Bununla birlikte, dalgaların (enerjinin) yayılması için, malzeme parametrelerine olan dalga sayısı bağımlılığını karşılamak için a – µ , a – ε ile eşleştirilmelidir .${\displaystyle kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}}$

Negatif kırılma indisi matematiksel olarak E , H ve k vektör üçlüsünden türetilir .

Elektromanyetik metamalzemelerde yayılan düzlem dalgalar için , elektrik alanı, manyetik alan ve dalga vektörü , geleneksel optik malzemelerin davranışının tersi olan bir sol kuralı takip eder .

Bugüne kadar, yalnızca metamalzemeler negatif bir kırılma indeksi sergiler.

Tek olumsuz

Tek negatif (SNG) metamalzemeler ya negatif bağıl geçirgenliğe (ε r ) ya da negatif bağıl geçirgenliğe (µ r ) sahiptir, ancak her ikisine birden sahip değildir. Farklı, tamamlayıcı bir SNG ile birleştirildiğinde, ortaklaşa bir DNG olarak hareket ettiklerinde metamalzemeler olarak hareket ederler.

Epsilon negatif ortam (ENG) , µ r pozitifken negatif bir ε r görüntüler . Birçok plazma bu özelliği gösterir. Örneğin, altın veya gümüş gibi asil metaller , kızılötesi ve görünür spektrumlarda ENG'dir .

Mu-negatif ortam (MNG), pozitif bir ε r ve negatif µ r görüntüler . Jirotropik veya gyromagnetic malzemeler bu özelliği sergiler. Bir jirotropik malzeme, bir manyeto-optik etki sağlayan, yarı statik bir manyetik alanın varlığı ile değiştirilmiş bir malzemedir . Bir manyeto-optik etki, bir elektromanyetik dalganın böyle bir ortamda yayıldığı bir olgudur. Böyle bir malzemede, sola ve sağa dönen eliptik polarizasyonlar farklı hızlarda yayılabilir. Işık bir manyeto-optik malzeme tabakasından geçirildiğinde, sonuç Faraday etkisi olarak adlandırılır : polarizasyon düzlemi döndürülerek bir Faraday döndürücüsü oluşturulabilir . Böyle bir yansımanın sonuçları manyeto-optik Kerr etkisi olarak bilinir ( doğrusal olmayan Kerr etkisi ile karıştırılmamalıdır ). İki ana polarizasyonun ters dönüş yönlerine sahip iki jirotropik malzemeye optik izomerler denir .

Bir ENG malzemesi levhası ile MNG malzemesi levhasının birleştirilmesi, rezonanslar, anormal tünelleme, şeffaflık ve sıfır yansıma gibi özelliklerle sonuçlandı. Negatif indeksli malzemeler gibi, SNG'ler de doğal olarak dağılır, dolayısıyla ε r , µ r ve kırılma indeksi n, frekansın bir fonksiyonudur.

hiperbolik

Hiperbolik metamalzemeler (HMM'ler), belirli polarizasyon veya ışık yayılımı yönü için bir metal gibi davranır ve aşırı anizotropi veren negatif ve pozitif geçirgenlik tensör bileşenleri nedeniyle diğeri için bir dielektrik gibi davranır . Malzemenin dalga vektör uzayındaki dağılım ilişkisi bir hiperboloid oluşturur ve bu nedenle hiperbolik meta malzeme olarak adlandırılır. HMM'lerin aşırı anizotropisi, ışığın yüzey içinde ve yüzeyinde yönlü yayılmasına yol açar. HMM'ler, algılama, görüntüleme, optik sinyallerin yönlendirilmesi, gelişmiş plazmon rezonans etkileri gibi çeşitli potansiyel uygulamalar göstermiştir.

bant aralığı

Elektromanyetik bant aralığı meta malzemeleri (EBG veya EBM) ışık yayılımını kontrol eder. Bu, fotonik kristaller (PC) veya solak malzemeler (LHM) ile gerçekleştirilir. PC'ler ışığın yayılmasını tamamen yasaklayabilir. Her iki sınıf da ışığın belirli, tasarlanmış yönlerde yayılmasına izin verebilir ve her ikisi de istenen frekanslarda bant aralıklarıyla tasarlanabilir. EBG'lerin periyot boyutu, dalga boyunun kayda değer bir kısmıdır ve yapıcı ve yıkıcı girişim yaratır.

PC , özelliklerini bant aralığı özelliklerinden türettiği için ayarlanabilir metamalzemeler gibi dalga boyu altı yapılardan farklıdır . PC'ler, alt dalga boyu yapısını ortaya çıkaran diğer metamalzemelere karşı ışığın dalga boyuna uyacak şekilde boyutlandırılmıştır. Ayrıca, PC'ler ışığı kırarak çalışır. Buna karşılık, meta malzeme kırınım kullanmaz.

PC'ler, kapanımların saçılmadan kaynaklanan yıkıcı girişimi nedeniyle dalga yayılmasını engelleyen periyodik kapanımlara sahiptir. PC'lerin fotonik bant aralığı özelliği, onları elektronik yarı iletken kristallerin elektromanyetik analogu yapar.

EBG'ler yüksek kaliteli, düşük kayıplı, periyodik, dielektrik yapılar oluşturma hedefine sahiptir. Bir EBG, fotonları, yarı iletken malzemelerin elektronları etkilediği gibi etkiler. PC'ler mükemmel bir bant aralığı malzemesidir çünkü ışığın yayılmasına izin vermezler. Öngörülen periyodik yapının her birimi, çok daha büyük bir boyutta olsa da, bir atom gibi davranır.

EBG'ler, belirli varış açıları ve polarizasyonlar için tahsis edilmiş bir frekans bant genişliğinin yayılmasını önlemek için tasarlanmıştır . EBG'nin özel özelliklerini üretmek için çeşitli geometriler ve yapılar önerilmiştir. Pratikte kusursuz bir EBG cihazı yapmak imkansızdır.

EBG'ler, birkaç gigahertz'den (GHz) birkaç terahertz'e (THz), radyo, mikrodalga ve orta kızılötesi frekans bölgelerine kadar değişen frekanslar için üretilmiştir. EBG uygulama geliştirmeleri arasında bir iletim hattı , kare dielektrik çubuklardan yapılmış ağaç yığınları ve birkaç farklı düşük kazançlı anten türü bulunmaktadır .

Çift pozitif ortam

Doğal olarak oluşan dielektrikler gibi doğada çift pozitif ortamlar (DPS) oluşur . Geçirgenlik ve manyetik geçirgenlik hem pozitiftir hem de dalga yayılımı ileri yöndedir. DPS, ENG ve MNG özelliklerini birleştiren yapay malzemeler üretilmiştir.

Bi-izotropik ve bianizotropik

Meta materyalleri çift veya tek negatif veya çift pozitif olarak sınıflandırmak, normalde meta materyalin ε ve µ ile tanımlanan bağımsız elektrik ve manyetik tepkilere sahip olduğunu varsayar. Bununla birlikte, birçok durumda, elektrik alanı manyetik polarizasyona neden olurken, manyetik alan, manyetoelektrik kuplaj olarak bilinen elektrik polarizasyonuna neden olur. Bu tür ortamlar bi-izotropik olarak belirtilir . Manyetoelektrik bağlantı sergileyen ve anizotropik olan (birçok metamalzeme yapısı için geçerli olan) ortamlara bi-anizotropik olarak atıfta bulunulur.

Dört malzeme parametresi, bi-izotropik ortamın manyetoelektrik bağlantısına özgüdür. Bunlar elektrik ( E ) ve manyetik ( H ) alan kuvvetleri ve elektrik ( D ) ve manyetik ( B ) akı yoğunluklarıdır. Bu parametreler sırasıyla ε, µ, κ ve χ veya geçirgenlik, geçirgenlik, kiralite gücü ve Tellegen parametresidir. Bu tür ortamlarda, malzeme parametreleri, döndürülmüş bir ölçüm koordinat sistemi boyunca değişikliklerle değişmez . Bu anlamda değişmez veya skalerdir .

İçsel manyetoelektrik parametreler, κ ve χ , dalganın fazını etkiler . Kiralite parametresinin etkisi, kırılma indisini bölmektir. İzotropik ortamda bu, yalnızca ε ve µ aynı işarete sahipse dalga yayılımıyla sonuçlanır. χ'nin sıfır olduğu ve κ'nin sıfır olmayan bir değer olduğu bi-izotropik ortamda , farklı sonuçlar ortaya çıkar. Ya geri dalga ya da ileri dalga oluşabilir. Alternatif olarak, kiralite parametresinin gücüne bağlı olarak iki ileri dalga veya iki geri dalga oluşabilir.

Genel durumda, bi-anizotropik malzemeler için kurucu ilişkiler , sırasıyla geçirgenlik ve geçirgenlik tensörlerinin nerede ve olduğunu okur , oysa ve iki manyeto-elektrik tensördür. Orta karşılıklı ise, geçirgenlik ve geçirgenlik simetrik tansörler, ve burada, şiral elektromanyetik ve karşılıklı manyeto-elektrik yanıt tarif kiral tensör olup. Kiral tensör şu şekilde ifade edilebilir : 'nin izi nerede , I birim matrisidir, N simetrik iz içermeyen bir tensördür ve J bir antisimetrik tensördür. Bu tür bir ayrıştırma, karşılıklı bianizotropik yanıtı sınıflandırmamızı sağlar ve aşağıdaki üç ana sınıfı tanımlayabiliriz: (i) kiral ortam ( ), (ii) psödokiral ortam ( ), (iii) omega ortamı ( ). ${\displaystyle \mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,}$ ${\displaystyle \mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,}$${\görüntüleme stili \epsilon }$${\görüntüleme stili \mu }$${\görüntüleme stili \xi }$${\görüntüleme stili\zeta }$${\displaystyle \xi =-\zeta ^{T}=-i\kappa ^{T}}$${\görüntüleme stili \kappa }$${\displaystyle \kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatöradı {tr} (\kappa )I+N+J}$${\displaystyle \operatöradı {tr} (\kappa )}$${\görüntüleme stili \kappa }$${\displaystyle \operatöradı {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0}$${\displaystyle \operatöradı {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0}$${\displaystyle \operatöradı {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0}$

kiral

Metamalzeme literatürü, sol ve sağlak terimlerinin birbiriyle çelişen iki kullanımını içerdiğinden, metamalzemelerin el kullanımı potansiyel bir karışıklık kaynağıdır . Birincisi, kiral ortamda yayılma modları olan dairesel polarize iki dalgadan birine atıfta bulunur. İkincisi, çoğu durumda kiral olmayan negatif kırılma indeksli ortamlarda ortaya çıkan elektrik alan, manyetik alan ve Poynting vektörünün üçlüsü ile ilgilidir.

Genel olarak bir kiral ve/veya bianizotropik elektromanyetik tepki, 3B geometrik kiralitenin bir sonucudur: 3B-kiral metamalzemeler, 3B-kiral yapıları bir ana ortama gömerek oluşur ve optik aktivite ve dairesel dikroizm gibi kiralite ile ilgili polarizasyon etkileri gösterirler . 2B kiralite kavramı da vardır ve düzlemsel bir nesne, düzlemden kaldırılmadıkça ayna görüntüsünün üzerine yerleştirilemiyorsa kiral olduğu söylenir. Anizotropik ve kayıplı olan 2D-kiral metamalzemelerin dairesel dönüşüm dikrosimi nedeniyle dairesel polarize dalgaların yönlü asimetrik iletimini (yansıma, absorpsiyon) sergiledikleri gözlemlenmiştir. Öte yandan, bianisotropik tepki, ne 2B ne de 3B içsel kiraliteye sahip olmayan geometrik akiral yapılardan kaynaklanabilir. Plum ve meslektaşları , radyasyon dalgası vektörü ile birlikte bir (achiral) yapının düzenlenmesinin ayna görüntüsünden farklı olduğu ve büyük, ayarlanabilir doğrusal optik aktivite, doğrusal olmayan optik aktivite, aynasal optik gözlemlenen dışsal kiralite nedeniyle manyeto-elektrik eşleşmeyi araştırdı. aktivite ve dairesel dönüşüm dikroizmi. Rıza et al. Sistem geometrik olarak tek boyutlu kiral ise, etkili kiral tensörün kaybolmadığı 1D kiral metamalzemeler önerdi (tüm yapının ayna görüntüsü, döndürmeler olmadan ötelemeler kullanılarak üzerine bindirilemez).

3D-kiral metamalzemeler , etkin kiralite parametresinin sıfır olmadığı kiral malzemelerden veya rezonatörlerden yapılır . Bu tür kiral metamalzemelerdeki dalga yayılım özellikleri, güçlü bir kiraliteye sahip metamalzemelerde negatif kırılmanın gerçekleşebileceğini ve pozitif ve . Bunun nedeni, kırılma indisinin sol ve sağ dairesel polarize dalgalar için farklı değerlere sahip olmasıdır. ${\görüntüleme stili \kappa }$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$${\görüntüleme stili n}$

${\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa }$

> ise bir polarizasyon için negatif bir indeksin oluşacağı görülebilir . Bu durumda, ya da her ikisi bu gerekli değildir ve geri dalga yayılımının için negatif olduğu. Kiraliteden kaynaklanan negatif bir kırılma indisi ilk olarak Plum ve diğerleri tarafından eşzamanlı ve bağımsız olarak gözlemlendi . ve Zhang et al. 2009 yılında. ${\görüntüleme stili \kappa }$${\displaystyle {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}}$${\displaystyle \epsilon _{r}}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$

FSS tabanlı

Frekans seçici yüzey tabanlı metamalzemeler, bir dalga bandındaki sinyalleri bloke eder ve diğer bir dalga bandındakileri geçirir. Sabit frekanslı meta malzemelere bir alternatif haline geldiler. Sabit bir frekans yanıtının kısıtlayıcı sınırlamaları yerine, tek bir ortamdaki isteğe bağlı frekans değişikliklerine izin verirler .

Diğer çeşitler

Elastik

Bu metamalzemeler, elektromanyetik olmayan malzemelerde negatif bir kırılma indeksi elde etmek için farklı parametreler kullanır. Ayrıca, "sınırlı bir frekans aralığında sıvı veya katı olarak davranabilen elastik metamalzemeler için yeni bir tasarım, akustik, elastik ve sismik dalgaların kontrolüne dayalı yeni uygulamalara olanak sağlayabilir ." Bunlara mekanik metamalzemeler de denir .

Akustik

Bir serinin parçası
Süreklilik mekaniği
${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi }{dx}}}$ Fick'in difüzyon yasaları
kanunlar Korumalar Yığın İtme Enerji eşitsizlikler Clausius-Duhem (entropi)
katı mekanik Deformasyon esneklik doğrusal plastisite Hook kanunu Stres sonlu gerinim sonsuz küçük gerinim uyumluluk bükme İletişim mekaniği sürtünme Malzeme hatası teorisi Kırılma mekaniği
Akışkanlar mekaniği sıvılar Statik  · Dinamikler Arşimet ilkesi  · Bernoulli ilkesi Navier-Stokes denklemleri Poiseuille denklemi  · Pascal yasası viskozite ( Newtoncu  · Newtoncu olmayan ) Yüzdürme  · Karıştırma  · Basınç sıvılar yapışma Kılcal etki kromatografi Uyum (kimya) Yüzey gerilimi gazlar Atmosfer Boyle Kanunu Charles yasası Kombine gaz yasası Fick yasası Gay-Lussac yasası Graham yasası Plazma
reoloji viskoelastisite reometri reometre Akıllı sıvılar elektroreolojik manyetoreolojik Ferroakışkanlar
Bilim insanları Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Fick Gay-Lussac Graham kanca Newton denizci hayır paskal stoklamak Truesdell
v T e

Akustik metamalzemeler, gazlarda , sıvılarda ve katılarda sonik , infrasonik veya ultrasonik dalgalar şeklinde sesi kontrol eder, yönlendirir ve manipüle eder . Elektromanyetik dalgalarda olduğu gibi, sonik dalgalar da negatif kırılma gösterebilir.

Ses dalgalarının kontrolü çoğunlukla kütle modülü β , kütle yoğunluğu ρ ve kiralite yoluyla gerçekleştirilir . Yığın modülü ve yoğunluğu, elektromanyetik metamalzemelerdeki geçirgenlik ve geçirgenliğin analoglarıdır. Bununla ilgili olarak , bir kafes yapısında ses dalgası yayılımının mekaniğidir . Ayrıca malzemelerin kütle ve içsel sertlik dereceleri vardır . Bunlar birlikte bir rezonans sistemi oluşturur ve mekanik (sonik) rezonans, uygun sonik frekanslarla (örneğin işitilebilir darbeler ) uyarılabilir .

Yapısal

Yapısal meta malzemeler, ezilebilirlik ve hafiflik gibi özellikler sağlar. Kullanılması projeksiyon mikro stereolitografi , microlattices çok gibi formlar kullanılarak oluşturulabilir kafes ve kirişlerin . Malzemeler , geleneksel aerojelden dört kat daha sert , ancak aynı yoğunluğa sahip yaratılmıştır. Bu tür malzemeler, malzemeleri aşırı kısıtlayarak kendi ağırlıklarının en az 160.000 katı bir yüke dayanabilir.

Bir seramik nanotruss meta malzemesi düzleştirilebilir ve orijinal durumuna geri döndürülebilir.

doğrusal olmayan

Özellikleri gelen dalganın gücüyle değişen bir tür doğrusal olmayan ortam içeren metamalzemeler üretilebilir . Doğrusal olmayan ortam, doğrusal olmayan optikler için gereklidir . Çoğu optik malzeme, nispeten zayıf bir tepkiye sahiptir; bu, özelliklerinin elektromanyetik alanın yoğunluğundaki büyük değişiklikler için yalnızca küçük bir miktarda değiştiği anlamına gelir . Doğrusal olmayan metamalzemelerdeki kapanımların yerel elektromanyetik alanları, alanın ortalama değerinden çok daha büyük olabilir. Ayrıca, metamalzeme etkili dielektrik geçirgenliği çok küçükse (epsilon-sıfıra yakın ortam) dikkate değer doğrusal olmayan etkiler tahmin edilmiş ve gözlemlenmiştir. Ek olarak, negatif kırılma indisi gibi egzotik özellikler , herhangi bir doğrusal olmayan optik yapıda karşılanması gereken faz eşleştirme koşullarını uyarlama fırsatları yaratır .

Salon meta malzemeleri

2009'da Marc Briane ve Graeme Milton , matematiksel olarak, yalnızca pozitif veya negatif işaretli Hall katsayısı malzemelerinden yapılmış 3 boyutlu bir 3 malzeme tabanlı kompozitin işaretinin tersine çevrilebileceğini matematiksel olarak kanıtladılar. Daha sonra 2015 yılında Muamer Kadıç ve ark. izotropik malzemenin basit bir delinmesinin Hall katsayısının işaretinin değişmesine yol açabileceğini gösterdi. Bu teorik iddia, sonunda Christian Kern ve diğerleri tarafından deneysel olarak gösterildi.

2015 yılında Christian Kern ve ark. tek bir malzemenin anizotropik delinmesinin paralel Hall etkisi gibi daha sıra dışı bir etkiye yol açabileceğini. Bu, iletken bir ortam içinde indüklenen elektrik alanının artık akıma ve manyetik alana dik olmadığı, aslında en sonuncusuna paralel olduğu anlamına gelir.

Frekans aralıkları

terahertz

Terahertz metamalzemeleri , genellikle 0.1 ila 10 THz olarak tanımlanan terahertz frekanslarında etkileşime girer . Terahertz radyasyonu , mikrodalga bandının bitiminden hemen sonra, kızılötesi bandın uzak ucunda yer alır. Bu , 3 mm ( EHF bandı) ile 0,03 mm ( uzak kızılötesi ışığın uzun dalga boyu kenarı) arasındaki milimetre ve milimetre-altı dalga boylarına karşılık gelir .

fotonik

Fotonik meta malzeme, optik frekanslarla ( orta kızılötesi ) etkileşime girer . Alt dalga boyu periyodu onları fotonik bant aralığı yapılarından ayırır .

ayarlanabilir

Ayarlanabilir metamalzemeler, kırılma indeksindeki frekans değişikliklerine isteğe bağlı ayarlamalara izin verir. Ayarlanabilir bir meta malzeme, çeşitli meta malzeme türleri oluşturarak solak malzemelerdeki bant genişliği sınırlamalarının ötesine geçer.

plazmonik

Plazmonik metamalzemeler , ışığın metal- dielektriklerle etkileşiminden üretilen yüzey plazmonlarından yararlanır . Belirli koşullar altında, gelen ışık yüzey plazmonları ile birleşerek kendi kendini sürdüren, yayılan elektromanyetik dalgalar veya yüzey plazmon polaritonları olarak bilinen yüzey dalgaları oluşturur . Toplu plazma salınımları , negatif kütlenin (yoğunluğun) etkisini mümkün kılar.

Uygulamalar

Metamalzemeler birçok uygulama için değerlendirilmektedir. Meta malzeme antenleri ticari olarak temin edilebilir.

2007 yılında bir araştırmacı metamalzeme uygulamalarının gerçekleştirilebilmesi için enerji kaybının azaltılması, malzemelerin üç boyutlu izotropik malzemelere genişletilmesi ve üretim tekniklerinin sanayileştirilmesi gerektiğini belirtmiştir .

Antenler

Meta malzeme antenleri, performansı artırmak için meta malzemeleri kullanan bir anten sınıfıdır . Gösteriler metamalzemelerin bir antenin yayılan gücünü artırabileceğini gösterdi . Negatif geçirgenlik elde edebilen malzemeler, küçük anten boyutu, yüksek yönlülük ve ayarlanabilir frekans gibi özelliklere izin verir.

emici

Bir meta malzeme emici, büyük miktarlarda elektromanyetik radyasyonu emmek için meta malzemelerin geçirgenliğinin ve manyetik geçirgenliğinin kayıp bileşenlerini manipüle eder . Bu, foto algılama ve güneş fotovoltaik uygulamaları için kullanışlı bir özelliktir . Kayıp bileşenleri, negatif kırılma indeksi (fotonik metamalzemeler, anten sistemleri) veya dönüşüm optiği ( metamalzeme gizleme , gök mekaniği) uygulamalarıyla da ilgilidir, ancak genellikle bu uygulamalarda kullanılmaz.

süperlens

Bir süperlens , kırınım sınırının ötesinde (ideal olarak, sonsuz çözünürlük) çözünürlük elde etmek için genellikle negatif kırılma özelliklerine sahip meta malzemeleri kullanan iki veya üç boyutlu bir cihazdır . Böyle bir davranış, çift-negatif malzemelerin negatif faz hızı verme yeteneği ile sağlanır. Kırınım sınırı, geleneksel optik cihazlarda veya lenslerde doğaldır.

Gizleme cihazları

Metamalzemeler, pratik bir gizleme cihazı için potansiyel bir temel oluşturur . İlke kanıtlanması , 19 Ekim tarihinde gösterilmiştir 2006. Hiçbir pratik pelerinler alenen mevcut olduğu bilinmektedir.

Metamalzemeleri azaltan RCS (Radar Kesiti)

Geleneksel olarak, RCS, ya Radar emici malzeme (RAM) tarafından ya da hedeflerin, saçılan enerjinin kaynaktan uzağa yönlendirilebileceği şekilde şekillendirilmesiyle azaltılmıştır . RAM'ler dar frekans bandı işlevselliğine sahipken, amaç şekillendirme hedefin aerodinamik performansını sınırlar. Daha yakın zamanlarda, dizi teorisi veya genelleştirilmiş Snell yasasını kullanarak saçılan enerjiyi kaynaktan uzağa yönlendirebilen metamalzemeler veya metayüzeyler sentezlendi. Bu, azaltılmış RCS'li hedefler için aerodinamik olarak uygun şekillere yol açmıştır.

sismik koruma

Sismik metamalzemeler, sismik dalgaların insan yapımı yapılar üzerindeki olumsuz etkilerine karşı koyar.

Ses filtreleme

Nano ölçekli kırışıklıklarla dokulu metamalzemeler, bir malzemenin rengini değiştirmek veya ultrason çözünürlüğünü iyileştirmek gibi ses veya ışık sinyallerini kontrol edebilir . Kullanım alanları, tahribatsız malzeme testi , tıbbi teşhis ve ses bastırmayı içerir . Malzemeler, yüksek hassasiyetli, çok katmanlı bir biriktirme işlemi ile yapılabilir. Her katmanın kalınlığı, dalga boyunun bir kısmı içinde kontrol edilebilir. Malzeme daha sonra sıkıştırılır ve aralıkları seçilen frekansların saçılmasına neden olabilecek hassas kırışıklıklar oluşturur.

teorik modeller

Tüm malzemeler dipol olan atomlardan yapılmıştır . Bu dipoller, ışık hızını bir faktör n (kırılma indisi) ile değiştirir. Bölünmüş halka rezonatöründe halka ve tel birimleri atomik dipoller olarak hareket eder: tel bir ferroelektrik atom olarak hareket ederken halka bir indüktör L olarak hareket ederken açık kısım bir kapasitör C olarak hareket eder . Halka bir bütün olarak bir LC devresi gibi davranır . Elektromanyetik alan halkadan geçtiğinde, indüklenen bir akım oluşur. Üretilen alan ışığın manyetik alanına diktir. Manyetik rezonans, negatif bir geçirgenlikle sonuçlanır; kırılma indeksi de negatiftir. (Yapının kapasitansı elektrik indüksiyonu için bir eğim oluşturduğundan, mercek gerçekten düz değildir.)

DNG'lerde birkaç (matematiksel) malzeme modeli frekans yanıtı . Bunlardan biri, elektron hareketini tahrikli-sönümlü, harmonik bir osilatör olarak tanımlayan Lorentz modelidir . Debye gevşeme modeli uygulanır hızlanma Lorentz matematiksel modelin bileşeni denklem diğer bileşenleri ile karşılaştırıldığında küçüktür. Drude modeli zaman geçerli geri getirme kuvveti bileşen önemsiz ve bağlanma katsayısı genel olarak plazma frekansı . Diğer bileşen ayrımları, polaritesine veya amacına bağlı olarak bu modellerden birinin kullanılmasını gerektirir.

Düşük geçirgenlik matrisine periyodik olarak/rastgele gömülü metal/metalik olmayan inklüzyonların üç boyutlu kompozitleri, genellikle karıştırma formülleri ve saçılma matrisi tabanlı yöntemler dahil analitik yöntemlerle modellenir. Parçacık, uygulanan dalganın sırasıyla elektrik alanına paralel bir elektrik dipolü veya sırasıyla elektrik ve manyetik alanlara paralel bir çift çapraz elektrik ve manyetik dipol ile modellenir. Bu dipoller, çok kutuplu seride önde gelen terimlerdir. Polarize edilebilirliği Mie saçılma katsayılarından kolayca elde edilebilen homojen bir küre için mevcut olan teklerdir . Genel olarak, bu prosedür, elektriksel olarak küçük kürelerin kompozitlerinden oluşan metamalzemeler için iyi bir yaklaşım olan "nokta-dipol yaklaşımı" olarak bilinir. Bu yöntemlerin avantajları, düşük hesaplama maliyeti ve matematiksel basitliği içerir.

Üç kavram - negatif indeksli ortam, yansıtmayan kristal ve süper mercekler , meta malzeme teorisinin temelleridir. Üçlü-periyodik elektromanyetik ortamı analiz etmek için diğer ilk prensip teknikleri, Fotonik bant yapısının hesaplanmasında bulunabilir.

kurumsal ağlar

MURİ

Multidisipliner Üniversite Araştırma Girişimi (MURI) düzinelerce Üniversiteyi ve birkaç devlet kuruluşunu kapsar. Katılan üniversiteler arasında UC Berkeley, UC Los Angeles, UC San Diego, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve Londra'daki Imperial College bulunmaktadır. Sponsorlar Deniz Araştırmaları Ofisi ve Savunma İleri Araştırma Proje Ajansı'dır .

MURI, hem araştırmayı hem de uygulamalara çeviriyi hızlandırmak için birden fazla geleneksel bilim ve mühendislik disiplini ile kesişen araştırmaları destekler. 2009 itibariyle, 69 akademik kurumun 41 araştırma çalışmasına katılması bekleniyordu.

metamorfoz

Yapay Elektromanyetik Malzemeler ve Meta Malzemeler için Sanal Enstitü "Metamorfoz VI AISBL", yapay elektromanyetik malzemeleri ve meta malzemeleri teşvik eden uluslararası bir dernektir. Bilimsel konferanslar düzenler, özel dergileri destekler, araştırma programları oluşturur ve yönetir, eğitim programları sağlar (doktora ve endüstriyel ortaklar için eğitim programları dahil); ve Avrupa Endüstrisine teknoloji transferi.

Ayrıca bakınız

• meta yüzey
• Yapay dielektrikler - 1940'lar ve 1970'ler arasında geliştirilen radar mikrodalga teknolojileriyle kullanıma giren doğal olarak oluşan dielektriklerin makroskopik analogları .
• METATOY ( Meta malzeme f o r ra y lar), frekansların bir geniş bandı çalışabilen prizmalar ve lensler ve küçük diziler gibi süper-dalga boyu yapıların -composed
• Magnonikler
• Metamalzemeler (dergi)
• Metamalzemeler El Kitabı
• Metamalzemeler: Fizik ve Mühendislik Araştırmaları

Referanslar

Dış bağlantılar

• Medya ile ilgili Metamalzemeler Wikimedia Commons