Метаматериалы — презентация

1

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

11 /24

Изображение слайда

12 /24

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

Устройство, основанное на квантовой запутанности фотонов, в котором производятся всевозможные манипуляции с квантовым состоянием запутанных фотонов и с высокой точностью производятся измерения полученных результатов. Цель – создание компактных высокоскоростных устройств обработки информации, которые могут успешно справляться с входными потоками, скоростью более чем 100 гигабит в секунду. 15 / 2 4 Квантовые запутанности фотонов

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

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

Изображение слайда

Планарная фотоника и метаповерхности ( Килдышев А.В., Шалаев В.М) http://xaa.su/PhH - Метаматериалы или дилемма «невидимости» http://laser-portal.ru/content_139 - Отриц. показатель преломления http://qps.ru/A5hR4 - Метаматериалы для видимого спектра http://www.lastmile.su/journal/article/2036 - применение метаматериалов Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequencies, D. Schurig, Science 314, 977 (2006 ). 24 /24

Изображение слайда

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

Изображение слайда

Спасибо за внимание! 26 /24

Изображение слайда