Metamaterial - Wikipedia

Negativindex-Metamaterial-Array-Konfiguration, die aus Kupfer-Split-Ring-Resonatoren und Drähten aufgebaut ist, die auf ineinandergreifenden Lagen einer Glasfaserleiterplatte montiert sind. Das gesamte Array besteht aus 3 mal 20 × 20 Elementarzellen mit Gesamtabmessungen von 10 mm × 100 mm × 100 mm (0,39 in × 3,94 in × 3,94 in). ^[1][2]

A Metamaterial (aus dem Griechischen word μετά meta was "jenseits" bedeutet) ist ein Material, das so konstruiert ist, dass es eine Eigenschaft hat, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu finden ist. ^[3] Sie bestehen aus Anordnungen mehrerer Elemente, die aus Verbundwerkstoffen wie Metallen bestehen oder Kunststoffe. Die Materialien sind normalerweise in sich wiederholenden Mustern angeordnet, mit Maßstäben, die kleiner sind als die Wellenlängen der von ihnen beeinflussten Phänomene. Metamaterialien beziehen ihre Eigenschaften nicht aus den Eigenschaften der Basismaterialien, sondern aus ihren neu gestalteten Strukturen. Ihre präzise Form, Geometrie, Größe, Ausrichtung und Anordnung verleihen ihnen die intelligenten Eigenschaften, mit denen sie elektromagnetische Wellen manipulieren können: durch Blockieren, Absorbieren, Verstärken oder Biegen von Wellen, um Vorteile zu erzielen, die über das, was mit herkömmlichen Materialien möglich ist, hinausgehen.

Durch entsprechend ausgelegte Metamaterialien können Wellen elektromagnetischer Strahlung oder Schall in einer Weise beeinflusst werden, die in Schüttgütern nicht beobachtet wird. ^[4][5][6] Diejenigen, die einen negativen Brechungsindex für bestimmte Wellenlängen aufweisen, haben bedeutende Forschungen hervorgerufen. ^[7][8][9] Diese Materialien sind als bekannt Negativindex-Metamaterialien.

Mögliche Anwendungen von Metamaterialien sind vielfältig und umfassen optische Filter, medizinische Geräte, Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Sensorerkennung und Infrastrukturüberwachung, intelligentes Solarenergiemanagement, Crowd Control, Radome, Hochfrequenz-Battlefield-Kommunikation und Linsen für Hochleistungsantennen. Ultraschallsensoren verbessern und sogar Strukturen vor Erdbeben abschirmen. ^{[10][11][12][13]} Metamaterialien bieten die Möglichkeit, Superlinsen zu erzeugen. Eine solche Linse könnte eine Abbildung unterhalb der Beugungsgrenze ermöglichen, dh der Mindestauflösung, die mit herkömmlichen Glaslinsen erreicht werden kann. Eine Form der "Unsichtbarkeit" wurde unter Verwendung von Gradientenindexmaterialien demonstriert. Akustische und seismische Metamaterialien sind ebenfalls Forschungsgebiete. ^{[10] [14]}

Die Metamaterialforschung ist interdisziplinär und umfasst Bereiche wie Elektrotechnik, Elektromagnetik, klassische Optik, Festkörperphysik , Mikrowellen- und Antennentechnik, Optoelektronik, Materialwissenschaften, Nanowissenschaften und Halbleitertechnik. ^[5]

Geschichte [ edit

Die Erkundung künstlicher Materialien zur Manipulation elektromagnetischer Wellen begann am Ende des 19. Jahrhunderts Jahrhundert. Einige der frühesten Strukturen, die als Metamaterialien betrachtet werden können, wurden von Jagadish Chandra Bose untersucht, der 1898 Substanzen mit chiralen Eigenschaften erforschte. Karl Ferdinand Lindman untersuchte Anfang des 20. Jahrhunderts die Wechselwirkung von Wellen mit metallischen Helices als künstliche chirale Medien.

Winston E. Kock entwickelte Materialien, die in den späten 1940er Jahren ähnliche Eigenschaften wie Metamaterialien hatten. In den fünfziger und sechziger Jahren wurden künstliche Dielektrika für leichte Mikrowellenantennen untersucht. Mikrowellenradarabsorber wurden in den 1980er und 1990er Jahren als Anwendungen für künstliche chirale Medien erforscht. ^[5]

Negativindexmaterialien wurden erstmals 1967 von Victor Veselago theoretisch beschrieben Materialien könnten Licht durchlassen. Er zeigte, dass die Phasengeschwindigkeit antiparallel zur Richtung des Poynting-Vektors gemacht werden kann. Dies steht im Gegensatz zur Wellenausbreitung in natürlich vorkommenden Materialien. ^[16]

John Pendry war der erste, der einen praktischen Weg erkannte, ein linkshändiges Metamaterial herzustellen, ein Material, in dem die rechte Hand herrscht wird nicht befolgt. ^[15] Ein solches Material erlaubt es einer elektromagnetischen Welle, Energie (Gruppengeschwindigkeit) gegen ihre Phasengeschwindigkeit zu übertragen. Pendrys Idee war, dass metallische Drähte, die entlang der Richtung einer Welle ausgerichtet sind, negative Permittivität (dielektrische Funktion ε <0) liefern können. Natürliche Materialien (wie Ferroelektrika) zeigen eine negative Permittivität; Die Herausforderung bestand darin, eine negative Permeabilität zu erreichen (µ <0). 1999 zeigte Pendry, dass ein Spaltring (C-Form) mit seiner Achse entlang der Ausbreitungsrichtung der Welle dies tun könnte. In der gleichen Arbeit zeigte er, dass eine periodische Anordnung von Drähten und Ringen zu einem negativen Brechungsindex führen kann. Pendry schlug auch ein verwandtes Negativpermeabilitätsdesign vor, die Schweizer Rolle.

Smith et al. berichteten über die experimentelle Demonstration funktionierender elektromagnetischer Metamaterialien durch horizontale Stapelung, periodische Split-Ring-Resonatoren und dünne Drahtstrukturen. Im Jahr 2002 wurde eine Methode zur Realisierung von Negativindex-Metamaterialien unter Verwendung von künstlich aufgeladenen Übertragungsleitungen in Mikrostrip-Technologie bereitgestellt. Im Jahr 2003 wurden komplexe (sowohl reale als auch imaginäre Teile) des negativen Brechungsindex ^[17] und das Abbilden mit einer flachen Linse ^[18] mit linkshändigen Metamaterialien demonstriert. Bis 2007 wurden Experimente mit negativem Brechungsindex von vielen Gruppen durchgeführt. ^[4][13] Bei Mikrowellenfrequenzen wurde 2006 der erste unvollkommene Unsichtbarkeitsmantel realisiert. ^{[19][20][21][22][23]}

Elektromagnetische Metamaterialien [ edit ]

Ein elektromagnetisches Metamaterial beeinflusst elektromagnetische Wellen, die auf seine Strukturmerkmale, die kleiner als die Wellenlänge sind, auftreffen oder mit diesen interagieren. Um sich als homogenes Material zu verhalten, das durch einen effektiven Brechungsindex genau beschrieben wird, müssen seine Merkmale viel kleiner als die Wellenlänge sein.

Bei Mikrowellenstrahlung liegen die Merkmale in der Größenordnung von Millimetern. Mikrowellenfrequenz-Metamaterialien sind üblicherweise als Arrays aus elektrisch leitfähigen Elementen (wie Drahtschleifen) aufgebaut, die geeignete induktive und kapazitive Eigenschaften aufweisen. Ein Mikrowellen-Metamaterial verwendet den Split-Ring-Resonator. ^[6]

Photonische Metamaterialien im Nanometerbereich manipulieren Licht bei optischen Frequenzen. Bislang haben Subwellenlängenstrukturen nur wenige fragwürdige Ergebnisse bei sichtbaren Wellenlängen gezeigt. ^[6][7] Photonische Kristalle und frequenzselektive Oberflächen wie Beugungsgitter, dielektrische Spiegel und optische Beschichtungen weisen Ähnlichkeiten mit Subwellenlängen-strukturierten Metamaterialien auf. Diese werden jedoch gewöhnlich von Subwellenlängenstrukturen unterschieden, da ihre Merkmale für die Wellenlänge strukturiert sind, bei der sie funktionieren, und daher nicht als homogenes Material angenähert werden können. ^{[ Zitat benötigt ]} Materialstrukturen wie photonische Kristalle sind im sichtbaren Lichtspektrum wirksam. Die Mitte des sichtbaren Spektrums hat eine Wellenlänge von ungefähr 560 nm (für Sonnenlicht). Photonische Kristallstrukturen sind im Allgemeinen halb so groß oder kleiner, dh <280 nm. ^{[Zitat benötigt]}

Plasmonische Metamaterialien verwenden Oberflächenplasmonen, die kollektive elektrische Ladungspakete sind schwingt an den Oberflächen von Metallen bei optischen Frequenzen.

Frequenzselektive Oberflächen (FSS) können Subwellenlängencharakteristika aufweisen und sind als künstliche Magnetleiter (AMC) oder High Impedance Surfaces (HIS) bekannt. FSS zeigen induktive und kapazitive Eigenschaften an, die in direktem Zusammenhang mit ihrer Subwellenlängenstruktur stehen. ^[24]

Negativer Brechungsindex [ edit

Ein Vergleich der Brechung in einem linkshändigen Metamaterial mit dem in einem Normales Material

Nahezu alle in der Optik angetroffenen Materialien wie Glas oder Wasser haben positive Werte sowohl für die Permittivität ε als auch für die Permeabilität µ . Metalle wie Silber und Gold haben jedoch bei kürzeren Wellenlängen negative Permittivität. Ein Material wie ein Oberflächenplasmon, das entweder (aber nicht beide) ε oder µ negativ hat, ist für elektromagnetische Strahlung oft undurchsichtig. Anisotrope Materialien mit nur negativer Permittivität können jedoch aufgrund der Chiralität zu einer negativen Brechung führen.

Obwohl die optischen Eigenschaften eines transparenten Materials vollständig durch die Parameter festgelegt sind ε r und u r Brechungsindex n wird häufig in der Praxis verwendet, was sich aus ${[displaystyle scriptstyle n = ] pm { sqrt { epsilon _ { mathrm {r}} mu _ { mathrm {r}}}}$. Alle bekannten nicht aus Metamaterial bestehenden transparenten Materialien besitzen positive ε r und µ r . Konventionell wird die positive Quadratwurzel für n verwendet.

Jedoch haben einige konstruierte Metamaterialien ε r <0 und µ r <0. Weil das Produkt ε r ist µ r ist positiv, n ist real. Unter diesen Umständen ist es notwendig, die negative Quadratwurzel für n zu nehmen.

Video, das die negative Brechung von Licht an einer einheitlichen planaren Grenzfläche darstellt.

Die vorstehenden Überlegungen sind für tatsächliche Materialien vereinfacht, die komplex bewertete ε r und µ haben müssen ] r . Die Realteile beider ε r und µ r müssen nicht negativ sein, damit ein passives Material eine negative Brechung zeigt. ^[25][26] Metamaterialien mit negativem n haben zahlreiche interessante Eigenschaften: ^[5][27]

• Snells Gesetz ( n ₁ sin θ ₁ n _{2 2 sin θ 2 ), aber da n 2 negativ ist, werden die Strahlen auf der -Seite der Normalen weiter gebrochen Eingabe des Materials.}


• Cherenkov-Strahlung zeigt den anderen Weg.


• Der zeitlich gemittelte Poynting-Vektor ist zur Phasengeschwindigkeit antiparallel. Damit sich Wellen (Energie) ausbreiten können, muss ein 19459013 µ mit einem 19459013 ε gepaart werden, um die Wellenzahlabhängigkeit von den materiellen Parametern zu erfüllen ${ displaystyle kc = omega { mu epsilon}}$.

Der negative Brechungsindex leitet sich mathematisch vom Vektortriplett E H und ab 19459102 ^[5]

Für ebene Wellen, die sich in elektromagnetischen Metamaterialien ausbreiten, folgen das elektrische Feld, das Magnetfeld und der Wellenvektor einer Linksregel, das Gegenteil des Verhaltens herkömmlicher optischer Materialien.

Klassifizierung [ edit ]

Elektromagnetische Metamaterialien werden wie folgt in verschiedene Klassen eingeteilt: ^{[4][15][5][28]}

Negativer Index [ edit ]

In Metamaterialien mit negativem Index (NIM) sind sowohl die Permittivität als auch die Permeabilität negativ, was zu einem negativen Brechungsindex führt. ^[15] Diese werden auch als doppelt negative Metamaterialien oder doppelt negative Materialien (DNG) bezeichnet. Andere Ausdrücke für NIMs umfassen "linkshändige Medien", "Medien mit einem negativen Brechungsindex" und "Rückwärtswellenmedien". 19459112 [4]

. Bei optischen Materialien sind beide Permittivität ] und die Permeabilität µ sind positiv, die Ausbreitung der Welle erfolgt in Vorwärtsrichtung. Wenn sowohl ε als auch µ negativ sind, wird eine Rückwärtswelle erzeugt. Wenn ε und µ unterschiedliche Polaritäten haben, breiten sich die Wellen nicht aus.

Mathematisch haben Quadrant II und Quadrant IV Koordinaten (0,0) in einer Koordinatenebene, wobei ε die horizontale Achse und µ die vertikale Achse ist. ^[5]

Bis heute Nur Metamaterialien weisen einen negativen Brechungsindex auf. ^[4][27][29]

Einzelne Negative [ edit ]

Einzelne negative (SNG) Metamaterialien haben entweder negative relative Permittivität (ε r ) oder negative relative Permeabilität (µ r ), aber nicht beide. ^[15] Sie wirken als Metamaterialien, wenn sie mit einem anderen komplementären SNG kombiniert werden, das gemeinsam als DNG fungiert.

Negative Epsilon-Medien (ENG) weisen ein negatives ε r auf, während µ r positiv ist. ^[4][27][15] Viele Plasmen weisen diese Eigenschaft auf. Zum Beispiel sind Edelmetalle wie Gold oder Silber im infraroten und sichtbaren Bereich ENG.

Mu-negative Medien (MNG) zeigen positive ε r und negative µ r . ^[4][27][15] Gyrotrope oder gyromagnetische Materialien weisen diese Eigenschaft auf. Ein gyrotropes Material ist ein Material, das durch das Vorhandensein eines quasistatischen Magnetfelds verändert wurde, wodurch ein magnetooptischer Effekt ermöglicht wird. Ein magnetooptischer Effekt ist ein Phänomen, bei dem sich eine elektromagnetische Welle durch ein solches Medium ausbreitet. In einem solchen Material können sich links und rechts rotierende elliptische Polarisationen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Wenn Licht durch eine Schicht aus magnetooptischem Material übertragen wird, wird das Ergebnis als Faraday-Effekt bezeichnet: Die Polarisationsebene kann gedreht werden, um einen Faraday-Rotator zu bilden. Die Ergebnisse einer solchen Reflexion sind als magnetooptischer Kerr-Effekt bekannt (nicht zu verwechseln mit dem nichtlinearen Kerr-Effekt). Zwei gyrotrope Materialien mit umgekehrten Drehrichtungen der zwei Hauptpolarisationen werden optische Isomere genannt.

Das Verbinden einer Platte aus ENG-Material und einer Platte aus MNG-Material führte zu Eigenschaften wie Resonanzen, anomalem Tunneln, Transparenz und Null-Reflexion. Wie Negativindexmaterialien sind SNGs von Natur aus dispersiv, daher sind ihre ε r µ r und der Brechungsindex n eine Funktion der Frequenz. ^[27]

Bandgap [ edit ]

Metamaterialien mit elektromagnetischer Bandlücke (EBG oder EBM) steuern die Lichtausbreitung. Dies wird entweder mit photonischen Kristallen (PC) oder mit linkshändigen Materialien (LHM) erreicht. PCs können die Lichtausbreitung insgesamt unterbinden. Beide Klassen können sich in bestimmten, gestalteten Richtungen ausbreiten, und beide können mit Bandlücken bei gewünschten Frequenzen ausgelegt werden. ^[30][31] Die Periodengröße von EBGs ist ein beträchtlicher Bruchteil der Wellenlänge und erzeugt konstruktive und destruktive Interferenzen.

PC unterscheidet sich von Subwellenlängenstrukturen wie abstimmbaren Metamaterialien, da der PC seine Eigenschaften von seinen Bandlückeneigenschaften ableitet. PCs sind so dimensioniert, dass sie der Wellenlänge des Lichts entsprechen, im Vergleich zu anderen Metamaterialien, die eine Struktur unterhalb der Wellenlänge freigeben. Des Weiteren funktionieren PCs durch Beugung von Licht. Im Gegensatz dazu verwendet Metamaterial keine Beugung. ^[32]

PCs haben periodische Einschlüsse, die die Wellenausbreitung aufgrund der destruktiven Interferenz der Einschlüsse durch Streuung verhindern. Die Eigenschaft der photonischen Bandlücke von PCs macht sie zum elektromagnetischen Analogon elektronischer Halbleiterkristalle. ^[33]

EBGs haben das Ziel, periodische dielektrische Strukturen mit hoher Qualität und geringem Verlust zu schaffen. Ein EBG beeinflusst Photonen genauso wie Halbleitermaterialien Elektronen. PCs sind das perfekte Material für die Bandlücke, da sie keine Lichtausbreitung zulassen. ^[34] Jede Einheit der vorgeschriebenen periodischen Struktur wirkt wie ein Atom, wenn auch viel größer. ^[4] ]

EBGs sollen die Ausbreitung einer zugewiesenen Bandbreite von Frequenzen für bestimmte Einfallswinkel und Polarisationen verhindern. Es wurden verschiedene Geometrien und Strukturen vorgeschlagen, um die besonderen Eigenschaften der EBG herzustellen. In der Praxis ist es unmöglich, ein fehlerfreies EBG-Gerät zu bauen. ^{[4] [5]}

EBGs wurden für Frequenzen hergestellt, die von einigen Gigahertz (GHz) bis zu einigen wenigen reichen Terahertz (THz) -, Radio-, Mikrowellen- und mittlere Infrarotfrequenzbereiche. EBG-Anwendungsentwicklungen umfassen eine Übertragungsleitung, Holzstapel aus quadratischen dielektrischen Stäben und verschiedene Arten von Antennen mit geringer Verstärkung. ^[4][5]

Doppelpositives Medium [ edit ]

Doppelpositives Medium (DPS) treten in der Natur auf, wie natürlich vorkommende Dielektrika. Permittivität und magnetische Permeabilität sind beide positiv und die Wellenausbreitung erfolgt in Vorwärtsrichtung. Es wurden künstliche Materialien hergestellt, die die Eigenschaften von DPS, ENG und MNG kombinieren. ^[4][15]

Bi-isotrop und bianisotrop [ edit ]

. Kategorisierung von Metamaterialien in doppelt oder einfach negativ oder doppelt positiv nimmt an, dass das Metamaterial unabhängige elektrische und magnetische Antworten hat, die durch und beschrieben werden. In vielen Fällen bewirkt das elektrische Feld jedoch eine magnetische Polarisation, während das magnetische Feld eine elektrische Polarisation induziert, die als magnetoelektrische Kopplung bekannt ist. Solche Medien werden als biisotrop bezeichnet. Medien, die eine magnetoelektrische Kopplung aufweisen und anisotrop sind (was bei vielen Metamaterialstrukturen der Fall ist ^[35]), werden als bi-anisotrop bezeichnet. ^{[36] [edit] [19659004] Vier Materialparameter sind für die magnetoelektrische Kopplung biisotroper Medien von Natur aus. Sie sind die elektrische ( E ) und magnetische ( H ) Feldstärke und elektrische ( D ) und magnetische ( B ) Fluss Dichten. Diese Parameter sind ε, µ, κ und χ oder Permittivität, Permeabilität, Chiralitätsstärke bzw. der Tellegen-Parameter. Bei diesem Medientyp variieren die Materialparameter nicht mit Änderungen entlang eines gedrehten Koordinatensystems. In diesem Sinne sind sie invariant oder skalar. [5]}

Die intrinsischen magnetoelektrischen Parameter κ und beeinflussen die Phase der Welle. Der Chiralitätsparameter bewirkt, dass der Brechungsindex aufgeteilt wird. In isotropen Medien führt dies nur dann zu einer Wellenausbreitung, wenn ε und µ dasselbe Vorzeichen haben. In bi-isotropen Medien, bei denen χ als Null angenommen wurde und κ einen Wert ungleich Null darstellt, treten unterschiedliche Ergebnisse auf. Es kann entweder eine Rückwärtswelle oder eine Vorwärtswelle auftreten. Alternativ können zwei Vorwärtswellen oder zwei Rückwärtswellen auftreten, abhängig von der Stärke des Chiralitätsparameters.

Im allgemeinen Fall lesen sich die konstitutiven Beziehungen für bianisotrope Materialien
${ displaystyle mathbf {D} = epsilon mathbf {E } + xi mathbf {H},}$
${ displaystyle mathbf {B} = zeta mathbf {E} + mu mathbf {H},}$