Metamateriał

W fizyce , w elektromagnetyzmie , termin metamateriał oznacza sztuczny materiał kompozytowy, który wykazuje właściwości elektromagnetyczne niespotykane w materiale naturalnym.

Są to na ogół struktury okresowe, dielektryczne lub metaliczne , które zachowują się jak jednorodny materiał nie występujący w naturze. W elektromagnetyzmie istnieje kilka rodzajów metamateriałów, z których najbardziej znane to te, które mogą wykazywać zarówno ujemną przenikalność elektryczną, jak i przepuszczalność . Ale są też inne: media o nieskończonej impedancji, media o przenikalności względnej mniejszej niż 1 itd. W rzeczywistości metamateriały są bardzo stare, ponieważ za metamateriały optyczne można uznać np. kolorowe szkła stosowane w witrażach katedr. Podobnie kryształy fotoniczne można uznać za metamateriały.

Jest to dziś bardzo aktywna dziedzina badań.

Historyczny

Tak zwane media „lewej ręki” lub „ ujemny współczynnik załamania światła ” zostały opracowane w 1967 przez Victora Veselago . Wymagają jednocześnie ujemnej przepuszczalności i przenikalności. Przez długi czas ten podwójny warunek był trudny do osiągnięcia, nawet jeśli media o ujemnej przenikalności (na przykład plazmy) były znane od dawna. W 2006 roku John Pendry z Imperial College proponuje implementację z wykorzystaniem metalowych struktur okresowych formowanych do cięcia koncentrycznych pierścieni, zwanych rezonatorami z pierścieniem dzielonym (in) (SRR) i ciągłym metalowym sonem. W dwóch kolejnych pracach wykazał, że okresowe ułożenie równoległych ciągłych metalowych drutów wykazywało ujemną przenikalność elektryczną przy niskiej częstotliwości, a okresowy układ SRR wykazywał ujemną przepuszczalność wokół częstotliwości rezonansowej. Łącząc obie sieci w złożoną strukturę okresową, powstało medium zaproponowane przez V. Veselago. To medium wykazywało następnie ujemny wskaźnik w pobliżu częstotliwości rezonansowej SRR.

Ta właściwość ujemnego współczynnika załamania była już niezwykła, ale mogła pozostać ciekawostką laboratoryjną. Tym, co naprawdę zwróciło uwagę na te egzotyczne materiały, była propozycja J. Pendry'ego dotycząca możliwości wyprodukowania supersoczewki, której rozdzielczość nie byłaby już ograniczana przez klasyczne prawa optyki. Wreszcie w 2006 roku, aby zwieńczyć ten temat, J. Pendry i U. Leonhardt zaproponowali wykonanie peleryny-niewidki z wykorzystaniem metamateriałów.

Kilka zespołów wykazało od tego czasu, że te teoretyczne przewidywania mogą zostać zmaterializowane, poprzez sukcesywne wytwarzanie prototypów supersoczewek i mikrofalowych pelerynek niewidzialności. Wcześniej DR Smith wykazał eksperymentalnie, że materiał kompozytowy J. Pendry rzeczywiście wykazywał ujemną przenikalność i przepuszczalność, a zatem ujemny współczynnik załamania.

Zaproponowano również próby wytworzenia tych metamateriałów w podczerwieni iw zakresie widzialnym. Są to prawdziwe wyczyny siły, o ile okres siatki jest rzędu jednej dziesiątej długości fali. Na przykład w świetle widzialnym, jeśli długość fali wynosi 500 nm, okres jest rzędu 50 nm, z szerokościami wzorów metalicznych rzędu dziesięciu nanometrów.

Trudność wynika zatem z faktu, że konieczne jest uzyskanie bardzo małych struktur w celu stworzenia sieci w krótkim czasie. Obecnie metamateriały są produkowane przez mikrotrawienie lub nanotrawienie. Składają się one z włókien miedzianych zadrukowanych we włóknach szklanych, które stanowią część izolacyjną, to znaczy część dielektryczną metamateriału. Dlatego inżynierowie są ograniczeni głównie w formatowaniu. Niektóre grupy badawcze mają nadzieję na znalezienie rozwiązania poprzez zmianę metody wytwarzania, to znaczy wytwarzanie tych metamateriałów przez ukierunkowane samoorganizacje, przy czym te ostatnie są następnie wytwarzane w sposób niemal naturalny. Z drugiej strony problem wytwarzania takiego materiału wynika z trudności w uzyskaniu surowców o wysokiej czystości.

Właściwości metamateriału lewej ręki

Ich współczynnik załamania światła jest ujemny;
Ich przenikalność i przepuszczalność są ujemne; $\ epsilon$ $\ mu$
Podczas propagacji fali płaskiej w metamateriale trójścian utworzony przez wektory ( k , E , H ) jest odwrócony;
W prędkości fazy i grupy są przeciwne (podczas gdy w tym samym kierunku, w sposób klasyczny nośnika);
W przeciwieństwie do mediów klasycznych wzmacniają zanikające fale ;
Efekt Dopplera jest odwrócony;
Efekt Czerenkowa jest odwrócony;
Istnieją fale powierzchniowe, zwane „ plazmonami ” dla obu polaryzacji , które mogą się rozchodzić lub rozchodzić się wstecz;
Istnieją tryby kierowane z propagacją wsteczną i tryby wycieku z propagacją wsteczną.

Potencjalne aplikacje

Soczewki o wysokiej rozdzielczości lub „supersoczewki” bliskie rygorystycznemu stygmatyzmowi i mające teoretycznie nieskończoną rozdzielczość ;
NIM (Materiał Indeksu Ujemnego);
Pułapki świetlne lub elektromagnetyczne;
Urządzenie niewidzialności (w rzeczywistości w tym zastosowaniu ani przepuszczalność, ani przenikalność nie są ujemne, a jedynie zmienne);
Opracowanie luster Bragga wykonanych z takich materiałów, być może jeszcze wydajniejszych;
Anteny kompaktowe i kierunkowe wykorzystujące osłonę o ujemnym indeksie;
Budowa pływających wałów, których celem nie byłoby już rozbijanie fal jak przy użyciu tradycyjnej grobli, ale raczej ominięcie tego, co jest chronione przez wały;
symulacja metryk Minkowskiego lub multiwersum ;
Metamateriały sejsmiczne oddziałujące z falami sejsmicznymi.
Anteny rezonansowe i anteny z falą upływową.

Metamateriały sejsmiczne

Koncepcja podłóg strukturalnych nie jest nowa. Jeśli rozumiemy przez tę definicję, tworzenie gruntów złożonych pod wpływem działania człowieka, z okresowymi lub nieokresowymi układami pierwiastków wprowadzonych do podłoża, utworzonych z pustych przestrzeni lub wypełnionych materiałem (beton, piasek, żwir, metal). , itp.) to specjalne fundamenty budynku, siatka sztywnych wtrąceń, sieć równoległościanów z betonowymi ścianami gruntowymi, aby przeciwdziałać upłynnieniu gruntu, a nawet dowolny zestaw konstrukcji zakopanych w skali miasta może spełniać tę definicję. Jednak zainteresowanie glebami strukturalnymi nie może ograniczać się do poszukiwania jedynej modyfikacji charakterystyki parametru mechanicznego. Na przykład może to być wzrost modułu sprężystości poprzecznej uzyskany dzięki złożonemu samemu gruntowi, raczej „miękkiemu” i dodaniu elementów bardziej „sztywnych”.W tym przypadku przy danym prawie homogenizacji jest to możliwe jest uzyskanie ogólnie mniej odkształcalnego materiału dla danego naprężenia. Celem tego, co nazywamy metamateriałem, będzie raczej działanie na propagację samego sygnału: zagięcie toru promienia sejsmicznego, przefiltrowanie określonych częstotliwości sygnału itp. Jednak gleby mają już wiele osobliwości, które odsuwają je od materiałów o dobrze zdefiniowanych właściwościach sprężystych. W 2012 roku we Francji, w pobliżu Grenoble, przeprowadzono pierwszy eksperyment polowy, którego celem było konkretnie zidentyfikowanie możliwych analogii między falami elektromagnetycznymi a sejsmicznymi falami mechanicznymi.

Zobacz również

Bibliografia

VG Veselago, „ Elektrodynamika substancji o jednocześnie ujemnych wartościach ε i μ ”, Fizyka radziecka Uspekhi, tom. 10, nr 4, styczeń-Luty 1968
JB Pendry, „ Ujemne załamanie sprawia, że soczewka jest idealna ”, Phys. Obrót silnika. Lett., tom. 85, s. 3966-3969, 2000
D. Schurig, JJ Mock, BJ Justice, SA Cummer, JB Pendry, AF Starr, DR Smith, „ Metamaterial Electromagnetic Cloak at mikrofalowe częstotliwości ”, Science, tom. 314, nr 5801, s. 977 - 980,Listopad 2006
Jérôme Fenoglio , „ Sekret niewidzialności ukryty jest w maleńkich strukturach metamateriałów ”, Le Monde.fr ,17 maja 2007 r.( ISSN 1950-6244 , czytaj online )
Frédéric Zolla , Gilles Renversez , André Nicolet i Boris Kuhlmey , Podstawy włókien kryształów fotonicznych ( DOI 10.1142 / p367 , czytaj online )

Linki zewnętrzne

(pl) Metamaterials.net Forum poświęcone badaniom nad metamateriałami
(pl) Dość kompletna baza danych
(en) „ Metamateriały zorganizowane dla inżynierii radiowej, fal milimetrowych i fotonicznej supersieci ” ( Archiwum • Wikiwix • Archive.is • Google • Co robić? )

Bibliografia

(w) Naukowcy tworzą metamateriał, który wygląda podobnie do czasoprzestrzeni Minkowskiego 3D , phys.org
(w) Metryczne przejścia sygnatur Optyczne w metamateriałach
S. Brûlé , E. H. Javelaud , S. Enoch i S. Guenneau , " Eksperymenty na metamateriałach sejsmicznych: formowanie fal powierzchniowych " , Fizyczne listy przeglądowe , tom. 112,31 marca 2014, s. 133901 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.112.133901 , przeczytane online , dostęp 11 września 2015 )
„ Wtrącenia sztywne dla budynków w strefach sejsmicznych i Eurokody 8 ” ,9 lipca 2010(dostęp 11 września 2015 )