«Разработано не так много реальных устройств из метаматериалов», — говорит Елена Семушкина, доцент кафедры электротехники Мичиганского технологического университета. Солдаты не могут накинуть на плечи плащи-невидимки, чтобы избежать снайперского огня, а идеальное приложение для линз не позволяет вам видеть вирусы на вашем смартфоне.
Отчасти потому, что традиционно исследователи чрезмерно упрощают, как на самом деле работают метаматериалы. Семушкина говорит, что их осложнения часто игнорируются.
Таким образом, она и ее команда приступили к исследованию этих осложнений и обнаружили, что магия метаматериалов управляется более чем одним физическим механизмом. Статья с описанием их исследований была недавно опубликована в Интернете в Journal of Physics D: Applied Physics.
Простой!
Метаматериалы могут показаться сложными и футуристическими, но обратное ближе к истине, — считает Семушкина.
Метаматериалы («мета» в переводе с греческого означает «за пределами») — это материалы, которые обладают свойствами, не встречающимися в природе. Обычно они состоят из нескольких идентичных элементов, изготовленных из обычных материалов, таких как металлы или непроводящие материалы. Представьте себе кубик Рубика, состоящий из миллионов единиц меньше толщины человеческого волоса.
Эти дизайнерские материалы работают, изменяя пути электромагнитного излучения — от радиоволн до видимого света и до высокоэнергетических гамма-лучей — новыми и разными способами. Как метаматериалы искривляют эти траектории — процесс, называемый преломлением, — приводит к их специфическим применениям. Например, плащ-невидимка из метаматериала искривляет пути световых волн вокруг замаскированного объекта, ускоряя их на своем пути, и воссоединяя их с другой стороны.
Таким образом, наблюдатель мог видеть, что находится за объектом, а сам объект был бы невидим.
Традиционный подход среди исследователей метаматериалов заключался в том, чтобы связать преломляющие свойства метаматериала с резонансом. Каждый крошечный строительный блок метаматериала вибрирует, как камертон, когда проходит электромагнитное излучение, вызывая желаемый тип рефракции.
Но не все так просто . . .
Семушкина поинтересовалась, могут ли быть дополнительные факторы, влияющие на искривление дорожек волн.
«Метаматериалы кажутся простыми, но их физика более сложна», — говорит она, объясняя, что она и ее команда сосредоточились на диэлектрических метаматериалах, которые построены из элементов, не проводящих электричество.
Команда провела множество компьютерных симуляций и сделала удивительное открытие: именно форма и повторяющаяся организация строительных блоков в метаматериале — их периодичность — влияют на преломление. Резонанс, казалось, не имел к этому никакого отношения.
Изучаемые ими метаматериалы обладали характеристиками другого типа искусственного материала — фотонных кристаллов. Как и метаматериалы, фотонные кристаллы состоят из множества одинаковых ячеек. Кроме того, они ведут себя как полупроводники, используемые в электронике, за исключением того, что передают фотоны вместо электронов.
«Мы обнаружили, что свойства фотонного кристалла могут маскировать резонанс метаматериалов до такой степени, что они могут вызывать необычное преломление, включая отрицательное преломление, которое необходимо для создания идеальной линзы», — говорит Семушкина.
Вернуться к основам
Итак, что это значит для ученых и инженеров, разрабатывающих суперматериалы завтрашнего дня??
«По сути, мы должны признать, что некоторые из этих структур могут проявлять свойства фотонных кристаллов, и мы должны учитывать их физику», — говорит Семушкина. "Это развивающаяся область, и она намного сложнее, чем мы думали."
Команда Семушкиной работает над созданием плащей-невидимок с использованием фотонных кристаллов, но она подчеркивает, что исследования метаматериалов могут иметь и другие практические применения.
Один из ее проектов направлен на использование концепций метаматериалов для повышения чувствительности магнитно-резонансной томографии (МРТ), что может привести к улучшению медицинской диагностики и успехам в биологических исследованиях.
«Это очень практичный результат по сравнению с Гарри Поттером», — говорит она.
Понимание физики, лежащей в основе метаматериалов, ускорит разработку таких устройств.