Μεταϋλικά. Τύποι και συσκευή. Λειτουργία και εφαρμογή. Υλικά αρνητικού δείκτη Βήμα στο μέλλον

Ιδιότητες

Πέρασμα φωτός μέσα από ένα μεταϋλικό με «αριστερόχειρα» δείκτη διάθλασης.

Μία από τις πιθανές ιδιότητες των μεταϋλικών είναι ένας αρνητικός (ή αριστερόχειρας) δείκτης διάθλασης, ο οποίος εμφανίζεται όταν η διαπερατότητα και η μαγνητική διαπερατότητα είναι ταυτόχρονα αρνητικές.

Βασικά εφέ

Η εξίσωση για τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ένα ισότροπο μέσο έχει τη μορφή:

Οπου k (\displaystyle k)- διάνυσμα κύματος, ω (\displaystyle \omega)- συχνότητα κύματος, c (\displaystyle c)- ταχύτητα του φωτός, n 2 = ϵ μ (\displaystyle n^(2)=\epsilon \mu )- τετράγωνο του δείκτη διάθλασης. Από αυτές τις εξισώσεις είναι προφανές ότι η ταυτόχρονη μεταβολή των πρόσημάτων του διηλεκτρικού και του μαγνητικού μ (\displaystyle \mu)η διαπερατότητα του μέσου δεν θα επηρεάσει αυτές τις σχέσεις με κανέναν τρόπο.

"Δεξιά" και "Αριστερά" ισοτροπικά μέσα

Η εξίσωση (1) προκύπτει με βάση τη θεωρία του Maxwell. Για μέσα με διηλεκτρικό ϵ (\displaystyle \epsilon)και μαγνητική μ (\displaystyle \mu)η επιδεκτικότητα του μέσου είναι ταυτόχρονα θετική, τρία διανύσματα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου - ηλεκτρικό και μαγνητικό και το κύμα σχηματίζουν ένα λεγόμενο σύστημα. σωστά διανύσματα:

Τέτοια περιβάλλοντα ονομάζονται συνεπώς «δεξιά».

Περιβάλλοντα που ϵ (\displaystyle \epsilon), μ (\displaystyle \mu)- ταυτόχρονα αρνητικό, που ονομάζεται "αριστερά". Σε τέτοια μέσα, ηλεκτρικά E → (\displaystyle (\vec (E))), μαγνητικό H → (\displaystyle (\vec (H)))και διάνυσμα κύματος k → (\displaystyle (\vec (k)))σχηματίζουν ένα σύστημα αριστερών διανυσμάτων.

Στην αγγλόφωνη βιβλιογραφία, τα περιγραφόμενα υλικά μπορούν να ονομάζονται δεξιόχειρα και αριστερόχειρα υλικά ή συντομογραφημένα ως RHM (δεξιά) και LHM (αριστερά), αντίστοιχα.

Μεταφορά ενέργειας από δεξιά και αριστερά κύματα

Η ροή ενέργειας που μεταφέρεται από το κύμα καθορίζεται από το διάνυσμα Poynting, το οποίο είναι ίσο με S → = (c / 4 π) [ E → H → ] (\style display (\vec (S))=(c/4\pi)\αριστερά[(\vec (E))(\vec (H)) \σωστά]). Διάνυσμα S → (\displaystyle (\vec (S)))σχηματίζεται πάντα με διανύσματα E → (\displaystyle (\vec (E))), H → (\displaystyle (\vec (H)))δεξιά τρία. Έτσι, για τις δεξιόχειρες ουσίες S → (\displaystyle (\vec (S)))Και k → (\displaystyle (\vec (k)))κατευθύνεται προς μία κατεύθυνση και προς τα αριστερά - σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Από διάνυσμα k → (\displaystyle (\vec (k)))συμπίπτει ως προς την κατεύθυνση με την ταχύτητα φάσης, είναι σαφές ότι οι αριστερόστροφες ουσίες είναι ουσίες με τη λεγόμενη ταχύτητα αρνητικής φάσης. Με άλλα λόγια, στις αριστερόχειρες ουσίες η ταχύτητα φάσης είναι αντίθετη από τη ροή ενέργειας. Σε τέτοιες ουσίες, για παράδειγμα, παρατηρείται ένα αντίστροφο φαινόμενο Doppler και τα πίσω κύματα.

Αριστερή μεσαία διασπορά

Η ύπαρξη αρνητικού δείκτη ενός μέσου είναι δυνατή εάν έχει διασπορά συχνότητας. Αν την ίδια στιγμή ϵ < 0 {\displaystyle \epsilon <0} , μ < 0 {\displaystyle \mu <0} , μετά την ενέργεια του κύματος W = ϵ E 2 + μ H 2 (\displaystyle W=\epsilon E^(2)+\mu H^(2))θα είναι αρνητικό(!). Ο μόνος τρόπος για να αποφευχθεί αυτή η αντίφαση είναι εάν το μέσο έχει διασπορά συχνότητας ∂ ϵ / ∂ ω (\displaystyle \partial \epsilon /\partial \omega)Και ∂ μ / ∂ ω (\displaystyle \μερική \mu /\μερική \omega ).

Παραδείγματα διάδοσης κυμάτων σε αριστερό μέσο

Κατασκευασμένος από ένα μεταϋλικό με εκπληκτικές οπτικές ιδιότητες, ο υπερφακός μπορεί να δημιουργήσει εικόνες με λεπτομέρεια μικρότερη από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται.

Πριν από σχεδόν 40 χρόνια, ο Σοβιετικός επιστήμονας Viktor Veselago διατύπωσε μια υπόθεση για την ύπαρξη υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης (UFN, 1967, vol. 92, σελ. 517). Τα κύματα φωτός σε αυτά πρέπει να κινούνται αντίθετα με την κατεύθυνση διάδοσης της δέσμης και γενικά να συμπεριφέρονται με εκπληκτικό τρόπο, ενώ οι φακοί που κατασκευάζονται από αυτά τα υλικά πρέπει να έχουν μαγικές ιδιότητες και αξεπέραστα χαρακτηριστικά. Ωστόσο, όλες οι γνωστές ουσίες έχουν θετικό δείκτη διάθλασης: μετά από αρκετά χρόνια εντατικών ερευνών, ο Veselago δεν βρήκε ούτε ένα υλικό με κατάλληλες ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες και η υπόθεσή του ξεχάστηκε. Το θυμήθηκαν μόλις στις αρχές του 21ου αιώνα. (εκ.: ).

Χάρη στις πρόσφατες εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών, η ιδέα του Veselago έχει αναβιώσει. Οι ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες των ουσιών καθορίζονται από τα χαρακτηριστικά των ατόμων και των μορίων που τις σχηματίζουν, τα οποία έχουν ένα μάλλον στενό εύρος χαρακτηριστικών. Επομένως, οι ιδιότητες των εκατομμυρίων υλικών που είναι γνωστά σε εμάς δεν είναι τόσο διαφορετικές. Ωστόσο, στα μέσα της δεκαετίας του 1990. επιστήμονες από το Κέντρο Τεχνολογίας Υλικών. Ο Marconi στην Αγγλία άρχισε να δημιουργεί μεταϋλικά που αποτελούνται από μακροσκοπικά στοιχεία και διασκορπίζουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα με εντελώς διαφορετικό τρόπο από οποιαδήποτε γνωστή ουσία.

Το 2000, ο David Smith και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο κατασκεύασαν ένα μεταϋλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Η συμπεριφορά του φωτός σε αυτό αποδείχθηκε τόσο περίεργη που οι θεωρητικοί έπρεπε να ξαναγράψουν βιβλία για τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες των ουσιών. Οι πειραματιστές ήδη αναπτύσσουν τεχνολογίες που εκμεταλλεύονται τις εκπληκτικές ιδιότητες των μεταϋλικών, δημιουργώντας υπερφακούς που μπορούν να παράγουν εικόνες με λεπτομέρειες μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός που χρησιμοποιείται. Με τη βοήθειά τους, θα ήταν δυνατό να κατασκευαστούν μικροκυκλώματα με νανοσκοπικά στοιχεία και να καταγραφούν τεράστιες ποσότητες πληροφοριών σε οπτικούς δίσκους.

Αρνητική διάθλαση

Για να κατανοήσουμε πώς συμβαίνει η αρνητική διάθλαση, ας εξετάσουμε τον μηχανισμό αλληλεπίδρασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με την ύλη. Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα (όπως μια δέσμη φωτός) που διέρχεται από αυτό προκαλεί την κίνηση των ηλεκτρονίων των ατόμων ή των μορίων. Αυτό καταναλώνει μέρος της ενέργειας των κυμάτων, η οποία επηρεάζει τις ιδιότητές της και τη φύση της διάδοσής της. Για να αποκτήσουν τα απαιτούμενα ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά, οι ερευνητές επιλέγουν τη χημική σύνθεση του υλικού.

Αλλά όπως δείχνει το παράδειγμα των μεταϋλικών, η χημεία δεν είναι ο μόνος τρόπος για να αποκτηθούν ενδιαφέρουσες ιδιότητες της ύλης. Η ηλεκτρομαγνητική απόκριση ενός υλικού μπορεί να «δημιουργηθεί» δημιουργώντας μικροσκοπικές μακροσκοπικές δομές. Το γεγονός είναι ότι συνήθως το μήκος ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το μέγεθος των ατόμων ή των μορίων. Το κύμα «βλέπει» όχι ένα μεμονωμένο μόριο ή άτομο, αλλά τη συλλογική αντίδραση εκατομμυρίων σωματιδίων. Αυτό ισχύει επίσης για τα μεταϋλικά, τα στοιχεία των οποίων είναι επίσης σημαντικά μικρότερα από το μήκος κύματος.

Το πεδίο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, έχει και ηλεκτρική και μαγνητική συνιστώσα. Τα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό κινούνται εμπρός και πίσω υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου και σε κύκλο υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Ο βαθμός αλληλεπίδρασης καθορίζεται από δύο χαρακτηριστικά της ουσίας: τη διηλεκτρική σταθερά ε και μαγνητική διαπερατότητα μ . Το πρώτο δείχνει τον βαθμό αντίδρασης των ηλεκτρονίων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, το δεύτερο - τον βαθμό αντίδρασης σε ένα μαγνητικό πεδίο. Η συντριπτική πλειοψηφία των υλικών ε Και μ Πάνω απο το μηδέν.

Οι οπτικές ιδιότητες μιας ουσίας χαρακτηρίζονται από τον δείκτη διάθλασής της n, το οποίο συνδέεται με ε Και μ απλή σχέση: n = ± √(ε∙μ). Όλα τα γνωστά υλικά πρέπει να έχουν πρόσημο «+» μπροστά από την τετραγωνική ρίζα και επομένως να έχουν θετικό δείκτη διάθλασης. Ωστόσο, το 1968 Veselago έδειξε ότι οι ουσίες με αρνητικά ε Και μ δείκτη διάθλασης nπρέπει να είναι μικρότερο από το μηδέν. Αρνητικός ε ή μ λαμβάνονται όταν τα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση από τις δυνάμεις που δημιουργούνται από τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Αν και αυτή η συμπεριφορά φαίνεται παράδοξη, το να κινηθούν τα ηλεκτρόνια ενάντια στις δυνάμεις των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων δεν είναι τόσο δύσκολο.

Εάν πιέσετε ένα εκκρεμές με το χέρι σας, αυτό θα κινηθεί υπάκουα προς την κατεύθυνση της ώθησης και θα αρχίσει να ταλαντώνεται με τη λεγόμενη συχνότητα συντονισμού. Πιέζοντας το εκκρεμές εγκαίρως με την αιώρηση, μπορείτε να αυξήσετε το πλάτος των ταλαντώσεων. Αν το πιέσετε με μεγαλύτερη συχνότητα, τότε οι κραδασμοί δεν θα συμπίπτουν πλέον με τις ταλαντώσεις σε φάση και κάποια στιγμή το χέρι θα χτυπηθεί από ένα εκκρεμές που κινείται προς το μέρος του. Ομοίως, τα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης βγαίνουν εκτός φάσης και αρχίζουν να αντιστέκονται στις «ωθήσεις» του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Μεταϋλικά

Το κλειδί σε αυτό το είδος αρνητικής αντίδρασης είναι ο συντονισμός, δηλαδή η τάση να δονείται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Δημιουργείται τεχνητά σε ένα μεταϋλικό χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά κυκλώματα συντονισμού που προσομοιώνουν την απόκριση μιας ουσίας σε μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, σε ένα αντηχείο σπασμένου δακτυλίου (RRR), μια μαγνητική ροή που διέρχεται από έναν μεταλλικό δακτύλιο προκαλεί κυκλικά ρεύματα σε αυτόν, παρόμοια με τα ρεύματα που προκαλούν τον μαγνητισμό ορισμένων υλικών. Και σε ένα πλέγμα από ευθείες μεταλλικές ράβδους, το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ρεύματα που κατευθύνονται κατά μήκος τους.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια σε τέτοια κυκλώματα ταλαντώνονται με συχνότητα συντονισμού, ανάλογα με το σχήμα και το μέγεθος του αγωγού. Εάν εφαρμοστεί ένα πεδίο με συχνότητα κάτω από τη συχνότητα συντονισμού, θα παρατηρηθεί μια κανονική θετική απόκριση. Ωστόσο, όσο αυξάνεται η συχνότητα, η απόκριση γίνεται αρνητική, όπως και στην περίπτωση ενός εκκρεμούς που κινείται προς το μέρος σας, εάν το σπρώξετε με συχνότητα πάνω από την συντονισμένη. Έτσι, οι αγωγοί σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων μπορούν να ανταποκριθούν σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ως μέσο με αρνητικό ε , και τα δαχτυλίδια με κοψίματα μπορούν να μιμηθούν υλικό με αρνητικό μ . Αυτοί οι αγωγοί και οι δακτύλιοι με κοψίματα είναι τα βασικά μπλοκ που χρειάζονται για τη δημιουργία μιας μεγάλης γκάμα μεταϋλικών, συμπεριλαμβανομένων αυτών που αναζητούσε ο Veselago.

Η πρώτη πειραματική επιβεβαίωση της δυνατότητας δημιουργίας ενός υλικού με αρνητικό δείκτη διάθλασης ελήφθη το 2000 στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο ( UCSD). Επειδή τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία του μεταϋλικού πρέπει να είναι πολύ μικρότερα από το μήκος κύματος, οι ερευνητές εργάστηκαν με ακτινοβολία μήκους κύματος εκατοστών και χρησιμοποίησαν στοιχεία μεγέθους λίγων χιλιοστών.

Καλιφορνέζοι επιστήμονες σχεδίασαν ένα μεταϋλικό που αποτελείται από εναλλασσόμενους αγωγούς και RKR, συναρμολογημένα με τη μορφή πρίσματος. Οι αγωγοί παρείχαν αρνητικό ε , και δαχτυλίδια με κοψίματα - αρνητικά μ . Το αποτέλεσμα θα έπρεπε να ήταν αρνητικός δείκτης διάθλασης. Για σύγκριση, ένα πρίσμα ακριβώς του ίδιου σχήματος κατασκευάστηκε από τεφλόν, το οποίο n= 1,4. Οι ερευνητές κατεύθυναν μια δέσμη ακτινοβολίας μικροκυμάτων στην άκρη του πρίσματος και μέτρησαν την ένταση των κυμάτων που αναδύονται από αυτό σε διαφορετικές γωνίες. Όπως ήταν αναμενόμενο, η δέσμη διαθλάστηκε θετικά από το πρίσμα τεφλόν και αρνητικά από το πρίσμα μεταϋλικού. Η υπόθεση του Veselago έγινε πραγματικότητα: τελικά ελήφθη ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Ή όχι?

Επιθυμητό ή πραγματικό;

Πειράματα σε UCSDμαζί με τις αξιοσημείωτες νέες προβλέψεις που έκαναν οι φυσικοί σχετικά με τις ιδιότητες των υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης, πυροδότησε ένα κύμα ενδιαφέροντος μεταξύ άλλων ερευνητών. Όταν ο Veselago εξέφρασε την υπόθεσή του, τα μεταϋλικά δεν υπήρχαν ακόμη και οι ειδικοί δεν μελέτησαν προσεκτικά το φαινόμενο της αρνητικής διάθλασης. Τώρα άρχισαν να της δίνουν πολύ περισσότερη προσοχή. Οι σκεπτικιστές έχουν ρωτήσει εάν τα υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης παραβιάζουν τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής. Εάν αποδεικνυόταν έτσι, ολόκληρο το ερευνητικό πρόγραμμα θα τεθεί υπό αμφισβήτηση.

Η πιο έντονη συζήτηση προκλήθηκε από το ζήτημα της ταχύτητας κύματος σε πολύπλοκο υλικό. Το φως ταξιδεύει στο κενό με τη μέγιστη ταχύτητα ντο= 300 χιλιάδες km/s. Η ταχύτητα του φωτός στο υλικό είναι μικρότερη: v =c/n. Τι γίνεται όμως αν nαρνητικός? Μια απλή ερμηνεία του τύπου για την ταχύτητα του φωτός δείχνει ότι το φως ταξιδεύει προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Μια πιο ολοκληρωμένη απάντηση λαμβάνει υπόψη ότι το κύμα έχει δύο ταχύτητες: φάση και ομάδα. Για να κατανοήσετε τη σημασία τους, φανταστείτε έναν παλμό φωτός να κινείται μέσα από ένα μέσο. Θα μοιάζει κάπως έτσι: Το πλάτος του κύματος αυξάνεται στο μέγιστο στο κέντρο του παλμού και μετά μειώνεται ξανά. Η ταχύτητα φάσης είναι η ταχύτητα των μεμονωμένων εκρήξεων και η ομαδική ταχύτητα είναι η ταχύτητα με την οποία κινείται το περίβλημα του παλμού. Δεν χρειάζεται να είναι το ίδιο.

Ο Veselago ανακάλυψε ότι σε ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης, οι ταχύτητες ομάδας και φάσης κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις: τα μεμονωμένα μέγιστα και ελάχιστα κινούνται προς τα πίσω, ενώ ολόκληρη η ορμή κινείται προς τα εμπρός. Είναι ενδιαφέρον να εξετάσουμε πώς θα συμπεριφερθεί μια συνεχής δέσμη φωτός από μια πηγή (για παράδειγμα, ένας προβολέας) βυθισμένη σε ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Αν μπορούσαμε να παρατηρήσουμε μεμονωμένες ταλαντώσεις ενός φωτεινού κύματος, θα τις βλέπαμε να εμφανίζονται σε ένα αντικείμενο που φωτίζεται από τη δέσμη, να κινούνται προς τα πίσω και τελικά να εξαφανίζονται στο προσκήνιο. Ωστόσο, η ενέργεια της φωτεινής δέσμης κινείται προς τα εμπρός, απομακρύνοντας την πηγή φωτός. Είναι προς αυτή την κατεύθυνση που η δέσμη διαδίδεται στην πραγματικότητα, παρά την εκπληκτική προς τα πίσω κίνηση των μεμονωμένων ταλαντώσεων της.

Στην πράξη, είναι δύσκολο να παρατηρηθούν μεμονωμένες ταλαντώσεις ενός φωτεινού κύματος και το σχήμα του παλμού μπορεί να είναι πολύ περίπλοκο, έτσι οι φυσικοί χρησιμοποιούν συχνά ένα έξυπνο τέχνασμα για να δείξουν τη διαφορά μεταξύ των ταχυτήτων φάσης και ομάδας. Όταν δύο κύματα με ελαφρώς διαφορετικά μήκη κύματος κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση, παρεμβάλλονται, δημιουργώντας ένα μοτίβο παλμών των οποίων οι κορυφές κινούνται με ομαδική ταχύτητα.

Εφαρμογή αυτής της τεχνικής στο πείραμα UCSDδιάθλαση το 2002, ο Prashant M. Valanju και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Austin παρατήρησαν κάτι ενδιαφέρον. Διαθλώντας στη διεπαφή μεταξύ μέσων με αρνητικό και θετικό δείκτη διάθλασης, δύο κύματα με διαφορετικά μήκη κύματος εκτρέπονται σε ελαφρώς διαφορετικές γωνίες. Το μοτίβο παλμών δεν αποδείχθηκε όπως θα έπρεπε να είναι για ακτίνες με αρνητική διάθλαση, αλλά όπως θα έπρεπε να ήταν με θετική διάθλαση. Συγκρίνοντας το μοτίβο των παλμών με την ομαδική ταχύτητα, οι ερευνητές του Τέξας κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι κάθε φυσικώς εφικτό κύμα θα πρέπει να έχει θετική διάθλαση. Αν και μπορεί να υπάρχει ένα υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης, δεν μπορεί να επιτευχθεί αρνητική διάθλαση.

Πώς μπορούμε τότε να εξηγήσουμε τα αποτελέσματα των πειραμάτων στο UCSD? Ο Βαλαντζού και πολλοί άλλοι ερευνητές απέδωσαν την παρατηρούμενη αρνητική διάθλαση σε άλλα φαινόμενα. Ίσως το δείγμα απορρόφησε τόση ενέργεια που τα κύματα αναδύθηκαν μόνο από τη στενή πλευρά του πρίσματος, προσομοιώνοντας την αρνητική διάθλαση; Άλλωστε μεταϋλικό UCSDαπορροφά πραγματικά έντονα την ακτινοβολία και οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν κοντά στο πρίσμα. Επομένως, η υπόθεση της απορρόφησης φαίνεται αρκετά εύλογη.

Τα ευρήματα προκάλεσαν μεγάλη ανησυχία: θα μπορούσαν να ακυρώσουν όχι μόνο τα πειράματα UCSD, αλλά και όλο το φάσμα των φαινομένων που προβλέπει ο Veselago. Ωστόσο, μετά από λίγη σκέψη, συνειδητοποιήσαμε ότι δεν μπορούμε να βασιστούμε στο μοτίβο παλμών ως δείκτη της ταχύτητας ομάδας: για δύο κύματα που κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, το σχέδιο παρεμβολής δεν έχει καμία σχέση με την ταχύτητα ομάδας.

Καθώς τα επιχειρήματα των κριτικών άρχισαν να καταρρέουν, προέκυψαν περαιτέρω πειραματικά στοιχεία για αρνητική διάθλαση. Όμιλος Minas Tanielian ( Μηνάς Τανιελιάν) από την εταιρεία Boeing Phantom Worksστο Σιάτλ επανέλαβε το πείραμα UCSDμε πρίσμα από μεταϋλικό με πολύ χαμηλή απορρόφηση. Επιπλέον, ο αισθητήρας βρισκόταν πολύ πιο μακριά από το πρίσμα, έτσι ώστε η απορρόφηση στο μεταϋλικό να μην συγχέεται με την αρνητική διάθλαση της δέσμης. Η ανώτερη ποιότητα των νέων δεδομένων δίνει τέλος στις αμφιβολίες για την ύπαρξη αρνητικής διάθλασης.

Συνεχίζεται

Καθώς ο καπνός της μάχης καθαρίστηκε, αρχίσαμε να συνειδητοποιούμε ότι η αξιοσημείωτη ιστορία που είπε ο Veselago δεν ήταν η τελευταία λέξη για τα υλικά με αρνητικό δείκτη. Ο Σοβιετικός επιστήμονας χρησιμοποίησε τη μέθοδο της γεωμετρικής κατασκευής των ακτίνων φωτός, λαμβάνοντας υπόψη την ανάκλαση και τη διάθλαση στα όρια διαφόρων υλικών. Αυτή η ισχυρή τεχνική μας βοηθά να καταλάβουμε, για παράδειγμα, γιατί τα αντικείμενα σε μια πισίνα φαίνονται πιο κοντά στην επιφάνεια από ό,τι στην πραγματικότητα και γιατί ένα μολύβι μισοβυθισμένο σε υγρό φαίνεται λυγισμένο. Το θέμα είναι ότι ο δείκτης διάθλασης του νερού ( n= 1,3) είναι μεγαλύτερη από αυτή του αέρα και οι ακτίνες φωτός διαθλώνται στο όριο μεταξύ αέρα και νερού. Ο δείκτης διάθλασης είναι περίπου ίσος με τον λόγο του πραγματικού βάθους προς το φαινόμενο βάθος.

Ο Veselago χρησιμοποίησε ανίχνευση ακτίνων για να προβλέψει ότι η δέσμη ήταν κατασκευασμένη από υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης n= −1 θα πρέπει να λειτουργεί ως φακός με μοναδικές ιδιότητες. Οι περισσότεροι από εμάς είναι εξοικειωμένοι με τους φακούς που κατασκευάζονται από θετικά διαθλαστικά υλικά - σε κάμερες, μεγεθυντικούς φακούς, μικροσκόπια και τηλεσκόπια. Έχουν εστιακή απόσταση και το πού σχηματίζεται η εικόνα εξαρτάται από το συνδυασμό της εστιακής απόστασης και της απόστασης μεταξύ του αντικειμένου και του φακού. Οι εικόνες συνήθως διαφέρουν σε μέγεθος από το αντικείμενο και οι φακοί λειτουργούν καλύτερα για αντικείμενα που βρίσκονται σε έναν άξονα μέσω του φακού. Ο φακός Veselago λειτουργεί εντελώς διαφορετικά από τους συμβατικούς: η λειτουργία του είναι πολύ πιο απλή, επηρεάζει μόνο αντικείμενα που βρίσκονται δίπλα του και μεταφέρει ολόκληρο το οπτικό πεδίο από τη μια πλευρά του φακού στην άλλη.

Ο φακός του Veselago είναι τόσο ασυνήθιστος που ο John Pendry ( John B. Pendry) Έπρεπε να αναρωτηθώ: πόσο τέλεια μπορεί να λειτουργήσει; Και συγκεκριμένα, ποια θα μπορούσε να είναι η μέγιστη ανάλυση του φακού Veselago; Τα οπτικά στοιχεία με θετικό δείκτη διάθλασης περιορίζονται από το όριο περίθλασης—μπορούν να επιλύσουν χαρακτηριστικά που είναι ίσα ή μεγαλύτερα από το μήκος κύματος του φωτός που ανακλάται από το αντικείμενο. Η περίθλαση θέτει ένα απόλυτο όριο σε όλα τα συστήματα απεικόνισης, όπως το μικρότερο αντικείμενο που μπορεί να δει κανείς με μικροσκόπιο ή τη μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο αστεριών που μπορεί να διακρίνει ένα τηλεσκόπιο. Η περίθλαση καθορίζει επίσης τη μικρότερη λεπτομέρεια που μπορεί να δημιουργηθεί στη διαδικασία της οπτικής λιθογραφίας στην παραγωγή μικροτσίπ (τσιπ). Ομοίως, η περίθλαση περιορίζει τον όγκο των πληροφοριών που μπορούν να αποθηκευτούν ή να διαβαστούν σε έναν οπτικό ψηφιακό δίσκο βίντεο (DVD). Ένας τρόπος παράκαμψης του ορίου περίθλασης θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην τεχνολογία, επιτρέποντας στην οπτική λιθογραφία να διεισδύσει στο εύρος νανοκλίμακας και πιθανώς να αυξήσει την ποσότητα των δεδομένων που αποθηκεύονται στους οπτικούς δίσκους κατά εκατοντάδες φορές.

Για να προσδιορίσουμε εάν τα αρνητικά διαθλαστικά οπτικά θα μπορούσαν πράγματι να ξεπεράσουν τα συμβατικά («θετικά») οπτικά, πρέπει να προχωρήσουμε περισσότερο από το να κοιτάμε απλώς τη διαδρομή των ακτίνων. Η πρώτη προσέγγιση παραβλέπει τη διάθλαση και επομένως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της ανάλυσης των αρνητικά διαθλαστικών φακών. Για να συμπεριλάβουμε την περίθλαση, έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε μια πιο ακριβή περιγραφή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου.

Superlens

Για να το περιγράψουμε με μεγαλύτερη ακρίβεια, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα από οποιαδήποτε πηγή—εκπέμπουν άτομα, κεραίες ραδιοφώνου ή μια δέσμη φωτός—αφού περάσουν μέσα από μια μικρή τρύπα δημιουργούν δύο διαφορετικούς τύπους πεδίων: μακρινού πεδίου και κοντινού πεδίου. Το μακρινό πεδίο, όπως υποδηλώνει το όνομά του, παρατηρείται μακριά από ένα αντικείμενο και συλλαμβάνεται από έναν φακό, σχηματίζοντας μια εικόνα του αντικειμένου. Δυστυχώς, αυτή η εικόνα περιέχει μόνο μια πρόχειρη εικόνα του αντικειμένου, στην οποία η περίθλαση περιορίζει την ανάλυση στο μήκος κύματος. Το κοντινό πεδίο περιέχει όλες τις μικρές λεπτομέρειες ενός αντικειμένου, αλλά η έντασή του μειώνεται γρήγορα με την απόσταση. Οι θετικοί διαθλαστικοί φακοί δεν προσφέρουν καμία πιθανότητα να αναχαιτίσουν το εξαιρετικά αδύναμο κοντινό πεδίο και να μεταδώσουν τα δεδομένα του στην εικόνα. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει για τους αρνητικούς διαθλαστικούς φακούς.

Έχοντας μελετήσει λεπτομερώς πώς τα κοντινά και μακρινά πεδία της πηγής αλληλεπιδρούν με τον φακό Veselago, ο Pendry το 2000, προς έκπληξη όλων, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο φακός, κατ' αρχήν, μπορούσε να εστιάσει τόσο κοντά όσο και σε μακρινά πεδία. Εάν αυτή η εκπληκτική πρόβλεψη ήταν αληθινή, θα σήμαινε ότι ο φακός Veselago, σε αντίθεση με όλα τα άλλα γνωστά οπτικά, δεν υπόκειται στο όριο περίθλασης. Επομένως, μια επίπεδη δομή με αρνητική διάθλαση ονομάστηκε υπερφακός.

Σε μεταγενέστερη ανάλυση, εμείς και άλλοι βρήκαμε ότι η ανάλυση του υπερφακού περιορίζεται από την ποιότητα του αρνητικού διαθλαστικού υλικού του. Για την καλύτερη απόδοση, είναι απαραίτητο όχι μόνο ο δείκτης διάθλασης nήταν ίσο με −1, αλλά επίσης ότι το ε και το μ ήταν και τα δύο ίσα με −1. Ένας φακός για τον οποίο δεν πληρούνται αυτές οι προϋποθέσεις έχει έντονα υποβαθμισμένη ανάλυση. Η ταυτόχρονη εκπλήρωση αυτών των προϋποθέσεων είναι πολύ σοβαρή απαίτηση. Αλλά το 2004 ο Anthony Grbic ( Άντονι Γκρμπιτς) και Γιώργος Ελευθεριάδης ( Γεώργιος Β. Ελευθεριάδης) από το Πανεπιστήμιο του Τορόντο έχουν πειραματικά δείξει ότι ένα μεταϋλικό που έχει κατασκευαστεί ώστε να έχει ε =−1 και μ =−1 στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων μπορεί πράγματι να επιλύει αντικείμενα σε κλίμακα μικρότερη από το όριο περίθλασης. Το αποτέλεσμά τους απέδειξε ότι ένας υπερφακός μπορεί να κατασκευαστεί, αλλά μπορεί να δημιουργηθεί για ακόμη μικρότερα οπτικά μήκη κύματος;

Η δυσκολία κλιμάκωσης μεταϋλικών σε οπτικά μήκη κύματος έχει δύο πλευρές. Πρώτον, τα μεταλλικά αγώγιμα στοιχεία που σχηματίζουν τα τσιπ μεταϋλικού, όπως οι αγωγοί και οι διαχωρισμένοι δακτύλιοι, πρέπει να κλιμακωθούν στην κλίμακα νανομέτρων έτσι ώστε να είναι μικρότερα από το μήκος κύματος του ορατού φωτός (400-700 nm). Δεύτερον, τα μικρά μήκη κύματος αντιστοιχούν σε υψηλότερες συχνότητες και τα μέταλλα σε τέτοιες συχνότητες έχουν μικρότερη αγωγιμότητα, καταστέλλοντας έτσι τους συντονισμούς στους οποίους βασίζονται οι ιδιότητες των μεταϋλικών. Το 2005 ο Κώστας Σούκολης ( Κώστας Σούκουλης) από το Πανεπιστήμιο της Αϊόβα και τον Μάρτιν Βέγκενερ ( Μάρτιν Βέγκενερ) από το Πανεπιστήμιο της Καρλσρούης στη Γερμανία απέδειξαν πειραματικά ότι είναι δυνατή η κατασκευή δακτυλίων σχισμής που λειτουργούν σε μήκη κύματος τόσο χαμηλά όσο 1,5 μικρόν. Παρά το γεγονός ότι σε τόσο μικρά μήκη κύματος ο συντονισμός στη μαγνητική συνιστώσα του πεδίου γίνεται πολύ αδύναμος, ενδιαφέροντα μεταϋλικά μπορούν ακόμα να σχηματιστούν με τέτοια στοιχεία.

Αλλά δεν μπορούμε ακόμη να φτιάξουμε ένα υλικό που, σε μήκη κύματος ορατού φωτός, έχει ως αποτέλεσμα μ =−1. Ευτυχώς, ένας συμβιβασμός είναι εφικτός. Όταν η απόσταση μεταξύ του αντικειμένου και της εικόνας είναι πολύ μικρότερη από το μήκος κύματος, πρέπει να ικανοποιηθεί μόνο η συνθήκη ε =−1 και η τιμή του μ μπορεί να αγνοηθεί. Μόλις πέρυσι το συγκρότημα του Richard Blakey ( Ρίτσαρντ Μπλέικι) από το Πανεπιστήμιο του Canterbury στη Νέα Ζηλανδία και την ομάδα του Xiang Jang ( Xiang Zhang) από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, ακολουθώντας αυτές τις οδηγίες, έδειξε ανεξάρτητα την υπερανάλυση σε ένα οπτικό σύστημα. Σε οπτικά μήκη κύματος, οι εγγενείς συντονισμοί του μετάλλου μπορούν να οδηγήσουν σε αρνητική διηλεκτρική σταθερά (ε). Επομένως, ένα πολύ λεπτό στρώμα μετάλλου σε μήκος κύματος όπου ε = −1 μπορεί να λειτουργήσει ως υπερφακός. Τόσο ο Blakey όσο και ο Jung χρησιμοποίησαν ένα στρώμα αργύρου πάχους περίπου 40 nm για να απεικονίσουν δέσμες φωτός 365 nm που εκπέμπονται από διαμορφωμένες οπές μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός. Αν και το ασημένιο φιλμ απείχε πολύ από τον ιδανικό φακό, ο ασημίς υπερφακός βελτίωσε σημαντικά την ανάλυση της εικόνας, αποδεικνύοντας ότι η βασική αρχή του υπερφακού είναι σωστή.

Μια ματιά στο μέλλον

Η επίδειξη υπερφακού είναι απλώς η τελευταία από πολλές προβλέψεις σχετικά με τις ιδιότητες των αρνητικά διαθλαστικών υλικών που θα ακολουθήσουν, ένδειξη της ταχείας προόδου που σημειώνεται σε αυτό το επεκτεινόμενο πεδίο. Η πιθανότητα αρνητικής διάθλασης ανάγκασε τους φυσικούς να επανεξετάσουν σχεδόν ολόκληρο το πεδίο του ηλεκτρομαγνητισμού. Και όταν αυτό το εύρος ιδεών γίνει πλήρως κατανοητό, βασικά οπτικά φαινόμενα όπως η διάθλαση και το όριο διάθλασης της ανάλυσης θα πρέπει να επανεξεταστούν για να ληφθούν υπόψη οι νέες απροσδόκητες ανατροπές που σχετίζονται με αρνητικά διαθλαστικά υλικά.

Η μαγεία των μεταϋλικών και η μαγεία της αρνητικής διάθλασης πρέπει ακόμα να «μετατραπεί» σε εφαρμοσμένη τεχνολογία. Ένα τέτοιο βήμα θα απαιτήσει τη βελτίωση του σχεδιασμού των μεταϋλικών και την παραγωγή τους με λογικό κόστος. Υπάρχουν πλέον πολλές ερευνητικές ομάδες σε αυτόν τον τομέα, οι οποίες αναπτύσσουν δυναμικά τρόπους επίλυσης του προβλήματος.

Θεωρία και πράξη του Victor Veselago

Η μοίρα του Viktor Georgievich Veselago, Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών, υπαλλήλου IOFAN και καθηγητή στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας, έπαιξε ένα ενδιαφέρον αστείο μαζί του. Έχοντας αφιερώσει ολόκληρη τη ζωή του στην πρακτική και στα πειράματα, έλαβε διεθνή αναγνώριση για τη θεωρητική του πρόβλεψη ενός από τα πιο ενδιαφέροντα φαινόμενα της ηλεκτροδυναμικής.

Μοιραίο ατύχημα

Ο Viktor Georgievich Veselago γεννήθηκε στις 13 Ιουνίου 1929 στην Ουκρανία και, σύμφωνα με τον ίδιο, μέχρι ένα σημείο δεν τον ενδιέφερε η φυσική. Και τότε συνέβη ένα από εκείνα τα μοιραία ατυχήματα που αλλάζουν όχι μόνο την κατεύθυνση της ζωής ενός ατόμου, αλλά και, τελικά, τον φορέα της ανάπτυξης της επιστήμης. Στην έβδομη τάξη, το αγόρι αρρώστησε και, για να περάσει η ώρα, άρχισε να διαβάζει όλα τα βιβλία στη σειρά. Ανάμεσά τους ήταν το «Τι είναι το ραδιόφωνο;» Kina, αφού διάβασε την οποία ο μαθητής άρχισε να ενδιαφέρεται σοβαρά για τη ραδιοφωνική μηχανική. Στο τέλος της δέκατης τάξης, όταν προέκυψε το ζήτημα της επιλογής πανεπιστημίου, ένας από τους φίλους μου ανέφερε ότι ένα νέο τμήμα φυσικής και τεχνολογίας άνοιγε στο Πανεπιστήμιο της Μόσχας, όπου, εκτός από άλλες ειδικότητες, υπήρχε και ραδιοφυσική.

Οι υποψήφιοι στην Τεχνική Σχολή του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας έπρεπε να υπομείνουν έναν «μαραθώνιο» εννέα εξετάσεων. Στο πρώτο από αυτά - γραπτά μαθηματικά - ο Veselago έλαβε ένα "δύο"... Σήμερα εξηγεί αυτή την "αμηχανία" από το γεγονός ότι ήταν απλά μπερδεμένος, βρίσκοντας τον εαυτό του σε ένα τεράστιο κοινό, όπου κυριολεκτικά ένιωθε σαν κόκκος άμμος. Την επόμενη μέρα, όταν ήρθε να παραλάβει τα έγγραφά του, ο αναπληρωτής κοσμήτορας Boris Osipovich Solonouts (που λεγόταν απλώς BOS πίσω από την πλάτη του) τον συμβούλεψε να έρθει στην επόμενη εξέταση. Αφού δεν είχε τίποτα να χάσει, ο νεαρός έκανε ακριβώς αυτό. Πέρασα και τις υπόλοιπες οκτώ εξετάσεις με ευθύ Α και έγινα δεκτός. Αργότερα, πολλά χρόνια αργότερα, αποδείχθηκε ότι υπήρχαν πολλοί τέτοιοι «χαμένοι» και η κοσμητεία αποφάσισε να μην εξετάσει τους υποψηφίους με βάση τα αποτελέσματα της πρώτης εξέτασης.

Στη συνέχεια, υπήρξαν τέσσερα χρόνια σπουδών, τα οποία ο Βίκτορ Γκεοργκίεβιτς αποκαλεί τώρα την πιο ευτυχισμένη περίοδο της ζωής του. Στους φοιτητές δόθηκαν διαλέξεις από προσωπικότητες όπως ο Pyotr Leonidovich Kapitsa, ο Lev Davidovich Landau... Ο Viktor Veselago πέρασε την καλοκαιρινή του πρακτική σε ραδιοφωνικό σταθμό αστρονομίας στην Κριμαία, όπου συνάντησε τον διευθυντή του, τον υπάλληλο της FIAN, καθηγητή Semyon Emmanuilovich Khaikin. Αποδείχθηκε ότι ήταν αυτός που έγραψε το ίδιο το βιβλίο "Τι είναι το Ραδιόφωνο;", υπογράφοντας το ψευδώνυμο Keen.

Το 1951, η Σχολή Φυσικής και Τεχνολογίας του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας έκλεισε - «μεγάλωσε» στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας και οι φοιτητές της πρώην Σχολής Φυσικής και Τεχνολογίας διανεμήθηκαν σε άλλες σχολές. Ο Viktor Georgievich κατέληξε στη Σχολή Φυσικής του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας και αποφοίτησε επίσημα από αυτό, αλλά θεωρεί τον εαυτό του πτυχιούχο του Ινστιτούτου Φυσικής και Τεχνολογίας. Ο Veselago υπερασπίστηκε τη διατριβή του με τον Alexander Mikhailovich Prokhorov στο Ινστιτούτο Φυσικής. P.N. Lebedev, όπου αργότερα συνέχισε να εργάζεται υπό την ηγεσία του. Πρώτα - στο FIAN, και από το 1982 μέχρι σήμερα - στο Ινστιτούτο Γενικής Φυσικής που ξεπήδησε από αυτό (IOFAN, το οποίο τώρα φέρει το όνομα του A.M. Prokhorov).

Κατασκευή «Σωληνοειδής»

Για να αποκτήσει εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία, τη δεκαετία του 1960, το Φυσικό Ινστιτούτο Lebedev κατασκεύαζε μια εγκατάσταση με το όνομα "Solenoid". Ο GIPRONII συμμετείχε στο σχεδιασμό, αλλά ο Viktor Georgievich ανέπτυξε ο ίδιος τα κύρια στοιχεία του έργου. Εξακολουθεί να πιστεύει ότι ένα από τα σημαντικότερα επιτεύγματά του, εκτός από τα επιστημονικά, ήταν η ράμπα που επέτρεπε να φέρουν κάρα με βαρύ εξοπλισμό στο ισόγειο. Για τη δημιουργία μιας εγκατάστασης για την παραγωγή ισχυρών μαγνητικών πεδίων, η Veselago, μαζί με αρκετούς υπαλλήλους του Ινστιτούτου Φυσικής Αγωγής Lebedev και άλλων επιστημονικών οργανισμών, έλαβε το Κρατικό Βραβείο το 1974.

Αριστερά και δεξιά

Στη δεκαετία του 1960, ο Viktor Georgievich άρχισε να ενδιαφέρεται για υλικά που είναι τόσο ημιαγωγοί όσο και σιδηρομαγνήτες. Το 1967, στο περιοδικό Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN), δημοσίευσε ένα άρθρο με τίτλο «Ηλεκτροδυναμική ουσιών με ταυτόχρονα αρνητικές τιμές ε και μ», όπου εισήχθη για πρώτη φορά ο όρος «ουσίες με αρνητικό δείκτη διάθλασης n» και περιγράφηκαν οι πιθανές ιδιότητές τους.

Όπως εξήγησε ο επιστήμονας, οι ιδιότητες των ημιαγωγών περιγράφονται μέσω της τιμής έψιλον (ε) - διηλεκτρική σταθερά, και οι μαγνητικές ιδιότητες μέσω της τιμής mu (μ) - μαγνητική διαπερατότητα. Αυτές οι ποσότητες είναι συνήθως θετικές, αν και οι ουσίες είναι γνωστές όπου το ε είναι αρνητικό και το μ είναι θετικό, ή το αντίστροφο. Ο Veselago αναρωτήθηκε: τι θα συμβεί εάν και οι δύο ποσότητες είναι αρνητικές; Από μαθηματική άποψη αυτό είναι δυνατό, αλλά από φυσική; Ο Viktor Georgievich έδειξε ότι μια τέτοια κατάσταση δεν έρχεται σε αντίθεση με τους νόμους της φύσης, αλλά η ηλεκτροδυναμική τέτοιων υλικών είναι αισθητά διαφορετική από εκείνες όπου και ταυτόχρονα είναι μεγαλύτερη από το μηδέν. Πρώτα απ 'όλα, το γεγονός ότι σε αυτά οι ταχύτητες φάσης και ομάδας των ηλεκτρομαγνητικών δονήσεων κατευθύνονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις (σε κανονικό περιβάλλον - προς μία κατεύθυνση).

Ο Veselago αποκάλεσε τα υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης «αριστερόχειρα» και αυτά με θετικό δείκτη διάθλασης, αντίστοιχα, «δεξιόχειρα», με βάση τη σχετική θέση των τριών διανυσμάτων που χαρακτηρίζουν τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων. Η διάθλαση στο όριο δύο τέτοιων μέσων λαμβάνει χώρα κατοπτρικά ως προς τον άξονα z.

Έχοντας τεκμηριώσει θεωρητικά τις ιδέες του, ο Viktor Georgievich προσπάθησε να τις εφαρμόσει στην πράξη, ιδίως σε μαγνητικούς ημιαγωγούς. Ωστόσο, δεν κατέστη δυνατή η απόκτηση του απαιτούμενου υλικού. Μόλις το 2000 μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο στις ΗΠΑ, χρησιμοποιώντας ένα σύνθετο μέσο, ​​απέδειξε ότι είναι δυνατή η αρνητική διάθλαση. Η έρευνα του Victor Veselago όχι μόνο έθεσε τα θεμέλια για μια νέα επιστημονική κατεύθυνση (βλέπε: D. Pandry, D. Smith. In Search of a Superlens), αλλά κατέστησε επίσης δυνατή την αποσαφήνιση ορισμένων φυσικών τύπων που περιγράφουν την ηλεκτροδυναμική των ουσιών. Το γεγονός είναι ότι ένας αριθμός τύπων που δίνονται στα σχολικά βιβλία ισχύουν μόνο στη λεγόμενη μη μαγνητική προσέγγιση, δηλαδή όταν η μαγνητική διαπερατότητα είναι ίση με τη μονάδα, δηλαδή για την ειδική περίπτωση των μη μαγνητικών υλικών. Αλλά για ουσίες των οποίων η μαγνητική διαπερατότητα είναι διαφορετική από τη μονάδα ή αρνητική, χρειάζονται άλλες, πιο γενικές εκφράσεις. Ο Veselago θεωρεί επίσης ότι η επισήμανση αυτής της περίστασης είναι ένα σημαντικό αποτέλεσμα της δουλειάς του.

Βήμα στο Μέλλον

Μετά το προφητικό άρθρο, ο ερευνητής, πιστός στην αρχή της αλλαγής θεμάτων κάθε 5-6 χρόνια, άρχισε να ενδιαφέρεται για νέους τομείς: μαγνητικά ρευστά, φωτομαγνητισμός, υπεραγωγιμότητα.

Σε γενικές γραμμές, σύμφωνα με τις αναμνήσεις του, κατά τη διάρκεια της θητείας του στο FIAN-IOFAN πέρασε από την καθιερωμένη διαδρομή ενός «σοβιετικού επιστήμονα» - από μεταπτυχιακό φοιτητή σε διδάκτορα επιστημών, επικεφαλής του τμήματος ισχυρών μαγνητικών πεδίων, ο οποίος από τον το τέλος της δεκαετίας του 1980 περιλάμβανε περίπου 70 άτομα που εργάζονταν σε 5-7 διαφορετικές κατευθύνσεις. Στην πραγματικότητα, το τμήμα ήταν ένα μικρό ινστιτούτο μέσα σε ένα ινστιτούτο, το οποίο κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου έβγαλε περισσότερους από 30 υποψήφιους επιστήμες.

Τώρα ο Viktor Georgievich διευθύνει το εργαστήριο μαγνητικών υλικών του τμήματος ισχυρών μαγνητικών πεδίων του IOFAN που φέρει το όνομά του. A. M. Prokhorova. Για μια σειρά έργων «Βασικές αρχές ηλεκτροδυναμικής των μέσων με αρνητικό δείκτη διάθλασης» το 2004 τιμήθηκε με τον Ακαδημαϊκό V.A. Φωκά.

Ο Viktor Georgievich διδάσκει στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας για περισσότερα από 40 χρόνια. Τώρα είναι καθηγητής στο Τμήμα Εφαρμοσμένης Φυσικής της Σχολής Φυσικής και Ενεργειακών Προβλημάτων, διδάσκει το μάθημα που δημιούργησε «Βασικές αρχές της Φυσικής Ταλαντώσεων» και επίσης πραγματοποιεί σεμινάρια και εργαστηριακά μαθήματα στο Τμήμα Γενικής Φυσικής.

Ο V. G. Veselago ανήκει σε έναν σπάνιο τύπο επιστημόνων, ο οποίος χαρακτηρίζεται από ένα εύρος επιστημονικών ενδιαφερόντων. Είναι εξαιρετικός θεωρητικός και ταυτόχρονα πειραματικός φυσικός, μηχανικός, σχεδιαστής εγκαταστάσεων με ισχυρά μαγνητικά πεδία. Είναι επίσης ταλαντούχος καθηγητής, έχοντας συνεισφέρει πολύ στη διδασκαλία της γενικής φυσικής στο MIPT και καθοδηγώντας πολλούς μαθητές. Αυτά τα χαρακτηριστικά του επιστήμονα είναι που κάνουν την προσωπικότητα του Viktor Georgievich τόσο ελκυστική.

Εισβολή στον Παγκόσμιο Ιστό

Τα τελευταία 15 χρόνια, ο φυσικός άλλαξε ξανά, ή μάλλον διεύρυνε, το φάσμα των ενδιαφερόντων του, καθιστώντας τον εμπνευστή δύο έργων δικτύου.

Το 1993 οργανώθηκε η υπηρεσία Infomag, διανέμοντας πίνακες περιεχομένων επιστημονικών και τεχνικών περιοδικών και ξένων επιστημονικών ηλεκτρονικών δελτίων μεταξύ επιστημόνων. Όλα ξεκίνησαν από το γεγονός ότι η IOFAN ήταν από τις πρώτες που συνδέθηκαν στο Διαδίκτυο. Έχοντας αποκτήσει την πρώτη του διεύθυνση email, ο Veselago άρχισε να ενδιαφέρεται για τηλεδιασκέψεις φυσικής και άρχισε να λαμβάνει το ενημερωτικό δελτίο Ενημέρωση ειδήσεων Φυσικής, το οποίο διαβίβασε στους συναδέλφους του. Στη συνέχεια οργάνωσε τη διανομή περιεχομένου και άλλων επιστημονικών περιοδικών. Οι πρώτες δημοσιεύσεις που παρείχαν πληροφορίες στην υπηρεσία Infomag ήταν το Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP), Letters to JETP και Instruments and Experimental Techniques. Τώρα η λίστα περιλαμβάνει περισσότερα από 150 αντικείμενα.

Η επιτυχία του Infomag συνέβαλε στη δημιουργία του δεύτερου «εγκεφαλικού» του Veselago - του πρώτου πολυθεματικού ηλεκτρονικού επιστημονικού περιοδικού της Ρωσίας «Researched in Russia», το οποίο ξεκίνησε την ύπαρξή του το 1998. Εκδίδεται μόνο σε ηλεκτρονική μορφή και δημοσιεύει περίπου 250 άρθρα ετησίως, τόσο από τους τομείς των φυσικών επιστημών όσο και των ανθρωπιστικών επιστημών.

Σύμφωνα με τον Viktor Georgievich, η ανάγκη για ηλεκτρονικές επιστημονικές δημοσιεύσεις στη Ρωσία είναι πολύ μεγάλη, όχι μόνο ως ανεξάρτητες μονάδες, αλλά και στο πλαίσιο διαδικτυακών εκδόσεων έντυπων εκδόσεων. Αρκετές εκατοντάδες ακαδημαϊκά επιστημονικά και τεχνικά περιοδικά δημοσιεύονται στη Ρωσία, αλλά η συντριπτική τους πλειονότητα δεν είναι διαθέσιμα σε ηλεκτρονική μορφή, και ως εκ τούτου οι εγχώριοι ειδικοί δεν έχουν άμεση πρόσβαση στα αποτελέσματα της εργασίας των συναδέλφων τους, γεγονός που παρεμποδίζει τη γόνιμη και άμεσο διάλογο μεταξύ επιστημόνων.

ΜΟΣΧΑ,26 Σεπ - RIA Novosti, Όλγα Κολέντσοβα.Μερικές φορές τα επιτεύγματα της σύγχρονης τεχνολογίας μπορεί να θεωρηθούν εσφαλμένα ως μαγικά. Μόνο αντί για μαγεία, η ακριβής επιστήμη λειτουργεί. Ένας από τους τομείς έρευνας, τα αποτελέσματα της οποίας θα μπορούσαν κάλλιστα να χρησιμεύσουν ως απεικόνιση των ιδιοτήτων των «ιδιοτήτων του παραμυθιού», είναι η ανάπτυξη και η δημιουργία μεταϋλικών.

Από καθαρά φυσική άποψη, τα μεταϋλικά είναι τεχνητά διαμορφωμένες και ειδικά κατασκευασμένες κατασκευές που έχουν ηλεκτρομαγνητικές ή οπτικές ιδιότητες ανέφικτες στη φύση.Οι τελευταίες δεν καθορίζονται ούτε από τα χαρακτηριστικά των συστατικών τους, δηλαδή τη δομή. παρόμοια σε εμφάνιση μπορεί να κατασκευαστεί από τα ίδια υλικά, αλλά το ένα θα έχει διαφορετική ηχομόνωση και σε ένα άλλο θα ακούτε ακόμη και την αναπνοή του γείτονά σας από το απέναντι διαμέρισμα. Ποιο είναι το μυστικό; Μόνο στην ικανότητα του κατασκευαστή να διαχειρίζεται τα προβλεπόμενα κεφάλαια.

Αυτή τη στιγμή, οι επιστήμονες των υλικών έχουν ήδη δημιουργήσει πολλές δομές των οποίων οι ιδιότητες δεν βρίσκονται στη φύση, αν και δεν ξεπερνούν τα όρια των φυσικών νόμων. Για παράδειγμα, ένα από τα δημιουργημένα μεταϋλικά μπορεί να ελέγχει τα ηχητικά κύματα τόσο άψογα που κρατούν μια μικρή μπάλα στον αέρα. Αποτελείται από δύο σχάρες που συναρμολογούνται χρησιμοποιώντας τούβλα γεμάτα με θερμοπλαστικά ράβδους, τα οποία είναι τοποθετημένα σε σχέδιο «φιδιού». Το ηχητικό κύμα εστιάζεται όπως το φως σε φακό και οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η συσκευή θα τους επιτρέψει να αναπτύξουν τον έλεγχο του ήχου στην ικανότητα να αλλάζουν την κατεύθυνσή του, καθώς αλλάζουν τώρα τη διαδρομή μιας δέσμης φωτός χρησιμοποιώντας οπτικά.

© Εικονογράφηση από το RIA Novosti. Α. Πολυανίνα

© Εικονογράφηση από το RIA Novosti. Α. Πολυανίνα

Ένα άλλο μετα-υλικό μπορεί να αναδιαταχθεί. Το αντικείμενο συναρμολογείται από αυτό χωρίς τη βοήθεια χεριών, γιατί η αλλαγή στο σχήμα μπορεί να προγραμματιστεί! Η δομή ενός τέτοιου «έξυπνου» υλικού αποτελείται από κύβους, κάθε τοίχωμα των οποίων αποτελείται από δύο εξωτερικά στρώματα τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου και ένα εσωτερικό στρώμα κολλητικής ταινίας διπλής όψεως. Αυτός ο σχεδιασμός σας επιτρέπει να αλλάξετε το σχήμα, τον όγκο και ακόμη και την ακαμψία ενός αντικειμένου.

Αλλά οι πιο εκπληκτικές ιδιότητες είναι αυτές των οπτικών μεταϋλικών, που μπορούν να αλλάξουν την οπτική αντίληψη της πραγματικότητας. «Λειτουργούν» στο εύρος μήκους κύματος που μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι. Είναι από τέτοια υλικά που οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει ένα ύφασμα από το οποίο μπορεί να κατασκευαστεί ένας μανδύας αορατότητας.

Είναι αλήθεια ότι μέχρι στιγμής μόνο ένα μικροαντικείμενο μπορεί να γίνει αόρατο στην οπτική περιοχή.

Η πιθανότητα δημιουργίας ενός υλικού με αρνητική διαθλαστική γωνία είχε προβλεφθεί το 1967 από τον Σοβιετικό φυσικό Viktor Veselago, αλλά μόνο τώρα εμφανίζονται τα πρώτα παραδείγματα πραγματικών δομών με τέτοιες ιδιότητες. Λόγω της αρνητικής γωνίας διάθλασης, ακτίνες φωτός κάμπτονται γύρω από ένα αντικείμενο, καθιστώντας το αόρατο. Έτσι, ο παρατηρητής παρατηρεί μόνο τι συμβαίνει πίσω από την πλάτη του ατόμου που φορά τον «υπέροχο» μανδύα.

© Φωτογραφία: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley

© Φωτογραφία: Xiang Zhang group, Berkeley Lab/UC Berkeley

Το τελευταίο επίτευγμα στη δημιουργία οπτικών μεταϋλικών ανήκει σε Ρώσους επιστήμονες της NUST MISIS. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν τα πιο κοινά "συστατικά" - αέρας, γυαλί και νερό. Η εργασία των επιστημόνων δημοσιεύτηκε σε ένα από τα περιοδικά με την υψηλότερη βαθμολογία στον κόσμο, το Scientific Reports. εκδοτικό οίκοΦύση. «Κάθε τέτοιο δείγμα μπορεί να κοστίσει χιλιάδες ευρώ», τόνισε ο Alexey Basharin, ερευνητής στο Εργαστήριο Υπεραγώγιμων Μεταϋλικών NUST MISIS, Υποψήφιος Τεχνικών Επιστημών. — Επιπλέον, η πιθανότητα λάθους κατά τη διαμόρφωση ενός τέτοιου συστήματος είναι πολύ υψηλή ακόμη και με τη χρήση των πιο υψηλής ακρίβειας εργαλείων.Όμως, εάν δημιουργήσετε ένα υλικό μεγαλύτερης κλίμακας που δεν περιέχει οπτικό (400-700 nm), αλλά ραδιόφωνο κύματα (μήκους 7-8 cm), η φυσική της διαδικασίας Αυτή η κλιμάκωση δεν θα αλλάξει, αλλά η τεχνολογία για τη δημιουργία τους θα γίνει πιο απλή».

Μελετώντας τις ιδιότητες των δημιουργούμενων δομών, οι συγγραφείς της εργασίας έδειξαν ότι αυτός ο τύπος ουσίας έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές.Πρώτα απ 'όλα, πρόκειται για αισθητήρες πολύπλοκων μορίων, αφού τα τελευταία, όταν εισέρχονται στο πεδίο του μεταϋλικού, αρχίζουν να λάμψη. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να προσδιοριστούν ακόμη και μεμονωμένα μόρια, τα οποία θα μπορούσαν ενδεχομένως να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ανάπτυξη, για παράδειγμα, της εγκληματολογικής επιστήμης. Επιπλέον, ένα τέτοιο μεταϋλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φίλτρο φωτός, απομονώνοντας φως ορισμένου μήκους από την προσπίπτουσα ακτινοβολία.Είναι επίσης εφαρμόσιμο ως βάση για τη δημιουργία εξαιρετικά αξιόπιστης μαγνητικής μνήμης, επειδή η δομή των κυψελών μεταϋλικού τα εμποδίζει να αντιστρέφοντας τη μαγνήτιση μεταξύ τους και έτσι χάνοντας πληροφορίες.

Μεταϋλικά ή το δίλημμα «αορατότητα».

Η αναφορά ολοκληρώθηκε

Μπόροβκοφ Ιβάν.

Εισαγωγή. Ορισμός. Χρήση.

Στην επιστήμη, δεν είναι συχνά απαραίτητο να επανεξεταστούν τα θεμελιώδη στοιχεία ενός κλάδου. Η οπτική αποτελεί εξαίρεση χάρη στη δημιουργία μεταϋλικών.

Vladimir Shalaev, μέλος του συμβουλευτικού επιστημονικού συμβουλίου του Ιδρύματος Skolkovo, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Purdue (ΗΠΑ).

Όταν μιλάμε για ένα προηγουμένως άγνωστο θέμα, τις ιδιότητες και τα πλεονεκτήματά του, είναι σοφό να το ορίσουμε από την αρχή. Στην έκθεση, μοίρασα ομοιόμορφα περισσότερους από δέκα ορισμούς του μεταϋλικού, οι οποίοι αποκαλύπτουν τη φύση ενός δεδομένου θέματος με διαφορετικούς τρόπους και το πιο σημαντικό, επιτρέπουν στον αναγνώστη να κατανοήσει πληρέστερα για τι μιλάμε.

Θα δώσω τα βασικά χαρακτηριστικά των μεταϋλικών, παραδείγματα απίστευτων πραγμάτων που έγιναν δυνατά χάρη σε αυτά, καθώς και παραδείγματα φανταστικών πραγμάτων που θα γίνουν συνηθισμένα στο μέλλον. Πηγαίνω.

Μεταϋλικό- ένα υλικό του οποίου οι φυσικές ιδιότητες καθορίζονται όχι τόσο από τις φυσικές φυσικές ιδιότητες, αλλά από την περιοδική μικροδομή που δημιουργεί ο άνθρωπος.

Τα μεταϋλικά συντίθενται με την εισαγωγή στο αρχικό φυσικό υλικό διαφόρων περιοδικών δομών με ποικίλα γεωμετρικά σχήματα, τα οποία τροποποιούν τη διηλεκτρική ε και τη μαγνητική μ επιδεκτικότητα του αρχικού υλικού. Σε μια πολύ χονδρική προσέγγιση, τέτοια εγκλείσματα μπορούν να θεωρηθούν ως τεχνητά, εξαιρετικά μεγάλα άτομα. Ο προγραμματιστής των μεταϋλικών, όταν τα συνθέτει, έχει μια μεγάλη επιλογή ελεύθερων παραμέτρων (μεγέθη δομών, σχήμα, σταθερή και μεταβλητή περίοδος μεταξύ τους κ.λπ.).

Μεταϋλικά δεν υπάρχουν στη φύση. Πρόκειται για αποκλειστικά ανθρωπογενή αντικείμενα που, λόγω της δημιουργούμενης ετερογένειας της δομής τους, καθιστούν δυνατό τον έλεγχο των ιδιοτήτων του φωτός και την επίτευξη συναρπαστικών αποτελεσμάτων.

Το κύριο χαρακτηριστικό των μεταϋλικών είναι ένας αρνητικός (ή αριστερόχειρας) δείκτης διάθλασης, ο οποίος εκδηλώνεται όταν η διηλεκτρική και η μαγνητική διαπερατότητα είναι ταυτόχρονα αρνητικές. Η πρώτη θεωρητική αιτιολόγηση για την πιθανότητα ύπαρξής τους δόθηκε από τον Σοβιετικό φυσικό Viktor Veselago το 1968. Είναι περίεργο ότι το άρθρο του Veselago για αυτό το θέμα στο περιοδικό "Uspekhi Fizicheskikh Nauk" έγινε η δημοσίευση με τις περισσότερες αναφορές στην ιστορία αυτής της δημοσίευσης.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, δεν μπορούσαν να ληφθούν μεταϋλικά «εργαζομένων» λόγω ορισμένων περιορισμών. Ωστόσο, πρόσφατα μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Vladimir Shalaev έδειξε ότι υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης, στα οποία πρακτικά δεν υπάρχουν απώλειες, μπορούν πραγματικά να δημιουργηθούν στην περιοχή οπτικού μήκους κύματος.

Στη δομή τους, τα μεταϋλικά που δημιουργήθηκαν στο Πανεπιστήμιο Purdue μοιάζουν με ένα δίχτυ ψαρέματος, τα κύτταρα του οποίου αποτελούνται από ασήμι και οξείδιο του αλουμινίου.

«Η δημιουργία και η χρήση μεταϋλικών μόλις αρχίζει. Αυτό είναι το καθήκον ενός νέου πεδίου επιστήμης - οπτικών μετασχηματισμών», είπε ο Shalaev.

«Μπορείτε να δημιουργήσετε μια χωρική κατανομή διηλεκτρικής και μαγνητικής διαπερατότητας και να εκτελέσετε διάφορα κόλπα με το φως», εξήγησε ο ομιλητής.

Τα μεταϋλικά καθιστούν δυνατό, σύμφωνα με τον επιστήμονα, να «φέρουν» φως στη νανοκλίμακα και να το χειραγωγήσουν περαιτέρω. Για παράδειγμα, η εργασία στον αντίστοιχο τομέα της νανοτεχνολογίας - τα νανοφωτονικά - θα καταστήσει δυνατή τη δημιουργία συσκευών που επεξεργάζονται πληροφορίες πολύ πιο γρήγορα από τους υπάρχοντες υπολογιστές.

«Μπορείτε να αναγκάσετε το φως να λυγίσει γύρω από το επιθυμητό μέρος του διαστήματος - και στη συνέχεια θα έχετε ένα καπάκι αόρατου», έδωσε ο Shalaev το πιο δημοφιλές παράδειγμα χρήσης μεταϋλικών.

«Ο H.G. Wells, όταν δημιούργησε τον Αόρατο Άνθρωπο του, διατύπωσε το πρόβλημα με σχεδόν επιστημονική ακρίβεια», είπε ο επιστήμονας.

Ωστόσο, σύμφωνα με τον ειδικό, υπάρχουν πολύ πιο ενδιαφέροντα πράγματα στην οπτική μετασχηματισμού. Είναι δυνατόν, για παράδειγμα, να δημιουργηθεί ένα οπτικό ανάλογο μιας μαύρης τρύπας - μια περιοχή του διαστήματος που θα τραβήξει φως μέσα της. Μπορείτε να «αναγκάσετε» το φως να συγκεντρωθεί σε ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου. Και αυτό που είναι απολύτως φανταστικό είναι ότι τα μεταϋλικά καθιστούν δυνατή (αν και ακόμα θεωρητικά) την προσομοίωση διαφόρων προβλημάτων της κοσμολογίας.

Η βάση του αποτελέσματος.

Έτσι, η ενδιαφέρουσα εισαγωγή και η αισιόδοξη άποψη ενός από τους κορυφαίους νανοτεχνολόγους στον κόσμο μας έφεραν ομαλά στο θεωρητικό μέρος της περιγραφής της επίδρασης του αρνητικού δείκτη διάθλασης του φωτός, που διαθέτουν τα προαναφερθέντα μεταϋλικά.

Π το πέρασμα του φωτός από το όριο των μέσων, ένα από τα οποία έχει θετικό δείκτη διάθλασηςn1> 0 , το άλλο είναι αρνητικόn2< 0 .

Πέρασμα φωτός από τα όρια των μέσων στα οποία και οι δύο δείκτες διάθλασης είναι θετικοίn1 > 0 n2 > 0.

Η εξίσωση για τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ένα ισότροπο μέσο έχει τη μορφή:

κ 2 − (ω / ντο) 2 n 2 = 0 (1)

Οπου κ- διάνυσμα κύματος, ω - συχνότητα κύματος, ντο- ταχύτητα του φωτός, n 2 = εμ - τετράγωνο του δείκτη διάθλασης. Από αυτές τις εξισώσεις είναι προφανές ότι η ταυτόχρονη αλλαγή των πρόσημων του διηλεκτρικού ε και της μαγνητικής επιδεκτικότητας μ του μέσου δεν θα επηρεάσει με κανένα τρόπο αυτές τις σχέσεις.

Η εξίσωση (1) προκύπτει με βάση τη θεωρία του Maxwell. Για μέσα στα οποία η διηλεκτρική ε και η μαγνητική μ ευαισθησία του μέσου είναι ταυτόχρονα θετικές, τρία διανύσματα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου - ηλεκτρικό και μαγνητικό και το κύμα σχηματίζουν ένα λεγόμενο σύστημα. σωστά διανύσματα.

Τέτοια περιβάλλοντα ονομάζονται συνεπώς «δεξιά».

Τα μέσα στα οποία το ε και το μ είναι και τα δύο αρνητικά ονομάζονται «αριστερόχειρα». Σε τέτοια μέσα, τα ηλεκτρικά, μαγνητικά και κυματικά διανύσματα σχηματίζουν ένα σύστημα αριστερόστροφων διανυσμάτων.

Η ροή ενέργειας που μεταφέρεται από το κύμα καθορίζεται από το διάνυσμα Poynting, και το οποίο είναι ίσο με . Ένα διάνυσμα σχηματίζει πάντα ένα δεξιό τριπλό με διανύσματα. Έτσι, για τις δεξιόχειρες ουσίες και κατευθύνονται προς μία κατεύθυνση, και για τις αριστερόχειρες - σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Εφόσον το διάνυσμα συμπίπτει στην κατεύθυνση με την ταχύτητα φάσης, είναι σαφές ότι οι αριστερόστροφες ουσίες είναι ουσίες με τη λεγόμενη ταχύτητα αρνητικής φάσης. Με άλλα λόγια, στις αριστερόχειρες ουσίες η ταχύτητα φάσης είναι αντίθετη από τη ροή ενέργειας. Σε τέτοιες ουσίες, για παράδειγμα, παρατηρείται ένα αντίστροφο φαινόμενο Doppler.

Η ύπαρξη αρνητικού δείκτη του περιβάλλοντος είναι δυνατή εάν έχει διασπορά συχνότητας. Αν ταυτόχρονα ε< 0, μ < 0, то энергия волны W = ε μι 2 + μ HΤο 2 θα είναι αρνητικό(!). Ο μόνος τρόπος για να αποφευχθεί αυτή η αντίφαση είναι εάν το μέσο έχει διασπορά συχνότητας και .

Παραδείγματα διάδοσης κυμάτων σε αριστερό μέσο.

Ένας αμφίκυρτος φακός από υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης θα αποεστιάζει το φως, ενώ ένας αμφίκυρτος φακός θα το εστιάσει.

Π μια επίπεδη-παράλληλη πλάκα κατασκευασμένη από υλικό με αρνητικό δείκτη διάθλασης λειτουργεί ως φακός εστίασης. Η κόκκινη κουκκίδα αντιπροσωπεύει την πηγή φωτός.

Αντανάκλαση μιας δέσμης που διαδίδεται σε ένα μέσο μεn< 0 , από μια τέλεια ανακλαστική επιφάνεια. Μια ακτίνα φωτός, όταν ανακλάται από ένα σώμα, αυξάνει την ορμή της κατά , (Ν είναι ο αριθμός των προσπίπτοντων φωτονίων). Η ελαφριά πίεση που ασκείται από το φως στο απορροφητικό δεξιόχειρο μέσο αντικαθίσταται από την έλξη του στο αριστερό μέσο.

Επιτεύγματα.

Superlens.

John Pendry και οι συνεργάτες του Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησηςισχυρίζονται ότι σε υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης είναι δυνατό να ξεπεραστεί το όριο περίθλασης της διακριτικής ικανότητας της συμβατικής οπτικής. Στο σωστό περιβάλλον, ο χώρος εικόνας του φακού δεν είναι πανομοιότυπος με το ίδιο το αντικείμενο γιατί σχηματίζεται χωρίς παροδικά κύματα. Στο αριστερό μέσο, ​​τα παροδικά κύματα δεν εξασθενούν, αντίθετα, το πλάτος τους αυξάνεται καθώς το κύμα απομακρύνεται από το αντικείμενο, έτσι η εικόνα σχηματίζεται με τη συμμετοχή παροδικών κυμάτων, τα οποία μπορούν να επιτρέψουν τη λήψη εικόνων με ανάλυση καλύτερο από το όριο περίθλασης.

Ο πρώτος πειραματικά αποδεδειγμένος φακός με αρνητικό δείκτη διάθλασης είχε ανάλυση τρεις φορές καλύτερη από το όριο περίθλασης. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε με συχνότητες μικροκυμάτων. Στο οπτικό εύρος, ο υπερφακός εφαρμόστηκε στο. Ήταν ένας φακός που δεν χρησιμοποιούσε αρνητική διάθλαση, ωστόσο, χρησιμοποιήθηκε ένα λεπτό στρώμα ασημιού για να ενισχύσει τα αποσβεσμένα κύματα. Για να δημιουργηθεί ένας φακός, χρησιμοποιούνται εναλλασσόμενες στρώσεις αργύρου και φθοριούχου μαγνησίου που εναποτίθενται σε ένα υπόστρωμα, πάνω στο οποίο στη συνέχεια κόβεται ένα νανογράφημα. Το αποτέλεσμα ήταν μια τρισδιάστατη σύνθετη δομή με αρνητικό δείκτη διάθλασης στην εγγύς υπέρυθρη περιοχή. Στη δεύτερη περίπτωση, το μεταϋλικό δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας νανοσύρματα που αναπτύχθηκαν ηλεκτροχημικά σε μια πορώδη επιφάνεια οξειδίου του αλουμινίου.

Καθεδρικοί ναοί λοιπόν από υπερζωτικούς κρυστάλλους
Ευσυνείδητο φως αράχνης,
Ξετυλίγοντας τα πλευρά, τα ξανά
Συλλέγεται σε ένα ενιαίο πακέτο.
Ο. Μάντελσταμ

Παιδικό πρόβλημα «Ποιο είναι πιο βαρύ, ένα κιλό βαμβάκι ή ένα κιλό ρινίσματα σιδήρου;» θα μπερδέψει μόνο έναν αργόστροφο πρωτομαθητή. Είναι πολύ πιο ενδιαφέρον να κάνουμε εικασίες σχετικά με το θέμα: «Τι ιδιότητες θα έχει το υλικό που λαμβάνουμε αν ανακατεύουμε προσεκτικά λεπτοτριμμένο βαμβάκι και ρινίσματα σιδήρου;» Είναι διαισθητικά σαφές: για να απαντήσετε σε αυτήν την ερώτηση, πρέπει να θυμάστε τις ιδιότητες του σιδήρου και του βαμβακιού, μετά από τις οποίες μπορείτε να πείτε με σιγουριά ότι το προκύπτον υλικό πιθανότατα, για παράδειγμα, θα αντιδράσει στην παρουσία μαγνήτη και νερού. Ωστόσο, οι ιδιότητες ενός πολυφασικού υλικού καθορίζονται πάντα αποκλειστικά από τις ιδιότητες των συστατικών που το αποτελούν; Θα ήθελα να απαντήσω θετικά σε αυτήν την ερώτηση, γιατί είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς, ας πούμε, ένα μείγμα διηλεκτρικών (για παράδειγμα, μπάλες από πριονίδι και αφρό) που να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα.

«Αυτό συμβαίνει μόνο στα παραμύθια!» - ο μαθητής της πρώτης δημοτικού θα προσπαθήσει να αποκαταστήσει τον εαυτό του, ενθυμούμενος τους πολυάριθμους μάγους και μάγισσες από τα παιδικά παραμύθια, οι οποίοι, αναμειγνύοντας όλα τα είδη μύγας, βατραχοπόδαρα και φτερά νυχτερίδας, έλαβαν μαγικές σκόνες, οι μαγικές ιδιότητες των οποίων, αυστηρά μιλώντας , δεν είναι χαρακτηριστικά των μυγών και των βατραχοπόδαρων. Ωστόσο, παραδόξως, η σύγχρονη επιστήμη γνωρίζει παραδείγματα για το πώς ο συνδυασμός πολύ συνηθισμένων υλικών καθιστά δυνατή τη δημιουργία αντικειμένων των οποίων οι ιδιότητες όχι μόνο δεν είναι εγγενείς στα συστατικά που χρησιμοποιούνται, αλλά, κατ 'αρχήν, δεν μπορούν να βρεθούν στη φύση και, όπως φαίνεται με την πρώτη ματιά, απαγορεύονται από τους νόμους της φυσικής. «Αυτό είναι ένα θαύμα!» θα πει ο μαθητής της πρώτης δημοτικού. «Όχι, αυτά είναι μεταϋλικά!» - θα αντιταχθεί ένας σύγχρονος επιστήμονας. Και οι δύο θα έχουν δίκιο με τον τρόπο τους, γιατί από την άποψη της κλασικής επιστήμης, τα μεταϋλικά είναι ικανά να δημιουργήσουν πραγματικά θαύματα. Ωστόσο, η διαδικασία δημιουργίας ενός μεταϋλικού είναι επίσης παρόμοια με τη μαγεία, επειδή Δεν αρκεί απλώς να αναμιγνύουμε τα συστατικά ενός μεταϋλικού· πρέπει να είναι σωστά δομημένα.

Τα μεταϋλικά είναι σύνθετα υλικά των οποίων οι ιδιότητες καθορίζονται όχι τόσο από τις επιμέρους φυσικές ιδιότητες των συστατικών τους όσο από τη μικροδομή τους. Ο όρος «μεταϋλικά» χρησιμοποιείται ιδιαίτερα συχνά σε εκείνα τα σύνθετα υλικά που παρουσιάζουν ιδιότητες που δεν είναι χαρακτηριστικές των αντικειμένων που βρίσκονται στη φύση.

Ένας από τους πιο έντονους τύπους μεταϋλικών που συζητήθηκαν πρόσφατα είναι τα αντικείμενα με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Είναι γνωστό από το μάθημα της σχολικής φυσικής ότι ο δείκτης διάθλασης του μέσου ( n) είναι μια ποσότητα που δείχνει πόσες φορές είναι η ταχύτητα φάσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο μέσο ( V) μικρότερη από την ταχύτητα του φωτός στο κενό ( ντο): n=c/V. Ο δείκτης διάθλασης του κενού είναι ίσος με 1 (που στην πραγματικότητα προκύπτει από τον ορισμό), ενώ για τα περισσότερα οπτικά μέσα είναι μεγαλύτερος. Για παράδειγμα, το συνηθισμένο πυριτικό γυαλί έχει δείκτη διάθλασης 1,5, που σημαίνει ότι το φως διαδίδεται σε αυτό με ταχύτητα 1,5 φορές μικρότερη από ό,τι στο κενό. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ανάλογα με το μήκος κύματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η τιμή nμπορεί να ποικίλλει.

Τις περισσότερες φορές, ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού απομνημονεύεται όταν εξετάζεται η επίδραση της διάθλασης του φωτός στη διεπαφή μεταξύ δύο οπτικών μέσων. Αυτό το φαινόμενο περιγράφεται από το νόμο του Snell:

n 1 sinα = n 2 sinβ,

όπου α είναι η γωνία πρόσπτωσης του φωτός που προέρχεται από ένα μέσο με δείκτη διάθλασης n 1 και β είναι η γωνία διάθλασης του φωτός σε ένα μέσο με δείκτη διάθλασης n 2.

Για όλα τα μέσα που μπορούν να βρεθούν στη φύση, οι ακτίνες του προσπίπτοντος και του διαθλασμένου φωτός βρίσκονται στις αντίθετες πλευρές του κανονικού και αποκαθίστανται στη διεπαφή μεταξύ των μέσων στο σημείο διάθλασης (Εικ. 1α). Ωστόσο, αν αντικαταστήσουμε επίσημα το n 2 στο νόμο του Snell<0, реализуется ситуация, которая еще до недавнего времени казалась физикам абсурдной: лучи падающего и преломленного света находятся по одну сторону от нормали (Рис.1б).

Τη θεωρητική πιθανότητα ύπαρξης μοναδικών υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης είχε επισημάνει ο Σοβιετικός φυσικός V. Veselago πριν από σχεδόν 40 χρόνια. Γεγονός είναι ότι ο δείκτης διάθλασης σχετίζεται με δύο άλλα θεμελιώδη χαρακτηριστικά της ύλης, τη διηλεκτρική σταθερά ε και τη μαγνητική διαπερατότητα μ, με μια απλή σχέση: n 2 = ε·μ. Παρά το γεγονός ότι αυτή η εξίσωση ικανοποιείται τόσο από τις θετικές όσο και από τις αρνητικές τιμές του n, οι επιστήμονες για μεγάλο χρονικό διάστημα αρνούνταν να πιστέψουν στη φυσική έννοια του τελευταίου - έως ότου ο Veselago έδειξε ότι το n< 0 в том случае, если одновременно ε < 0 и μ < 0.

Τα φυσικά υλικά με αρνητική διηλεκτρική σταθερά είναι πολύ γνωστά - οποιοδήποτε μέταλλο σε συχνότητες πάνω από τη συχνότητα πλάσματος (στην οποία το μέταλλο γίνεται διαφανές). Σε αυτή την περίπτωση 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. Именно по этой причине работы Веселаго долгое время не привлекали должного внимания научной общественности. Прошло 30 лет, прежде чем английский ученый Д.Пендри (John Pendry) в 1999 г. показал, что отрицательная магнитная проницаемость может быть получена для проводящего кольца с зазором. Если поместить такое кольцо в переменное магнитное поле, в кольце возникнет электрический ток, а на месте зазора возникнет дуговой разряд. Поскольку металлическому кольцу можно приписать индуктивность L, а зазору соответствует эффективная емкость С, систему можно рассматривать как простейший колебательный контур с резонансной частотой ω 0 ~ 1/(LC) -1/2 . При этом система создает собственное магнитное поле, которое будет положительным при частотах переменного магнитного поля ω < ω 0 и отрицательным при ω > ω 0 .

Έτσι, είναι δυνατά συστήματα με αρνητική απόκριση τόσο στα ηλεκτρικά όσο και στα μαγνητικά συστατικά της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αμερικανοί ερευνητές υπό την ηγεσία του David Smith ήταν οι πρώτοι που συνδύασαν και τα δύο συστήματα σε ένα υλικό το 2000. Το δημιουργημένο μεταϋλικό αποτελούνταν από μεταλλικές ράβδους υπεύθυνες για ε< 0, и медных кольцевых резонаторов, благодаря которым удалось добиться μ < 0. Несомненно, структуру, изображенную на Рис.2, сложно назвать материалом в традиционном смысле этого слова, поскольку она состоит из отдельных макроскопических объектов. Между тем, данная структура «оптимизирована» для микроволнового излучения, длина волны которого значительного больше отдельных структурных элементов метаматериала. Поэтому с точки зрения микроволн последний также однороден, как например, оптическое стекло для видимого света. Последовательно уменьшая размеры структурных элементов можно создавать метаматериалы с отрицательным показателем преломления для терагерцового и инфракрасного диапазонов спектра. Ученые ожидают, что благодаря достижениям современных нанотехнологий в самое ближайшее время будут созданы метаматериалы и для видимого диапазона спектра.

Από φυσικής άποψης, τα μεταϋλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης είναι οι αντίποδες των συμβατικών υλικών. Στην περίπτωση αρνητικού δείκτη διάθλασης, η ταχύτητα φάσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας αντιστρέφεται. Η μετατόπιση Doppler συμβαίνει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η ακτινοβολία Cherenkov από ένα κινούμενο φορτισμένο σωματίδιο δεν εμφανίζεται προς τα εμπρός, αλλά προς τα πίσω. οι συγκλίνοντες φακοί γίνονται αποκλίνοντες και το αντίστροφο... Και όλα αυτά είναι μόνο ένα μικρό μέρος από εκείνα τα καταπληκτικά φαινόμενα που είναι πιθανά για μεταϋλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Η πρακτική χρήση τέτοιων υλικών συνδέεται, πρώτα απ 'όλα, με τη δυνατότητα δημιουργίας οπτικών terahertz με βάση αυτά, η οποία, με τη σειρά της, θα οδηγήσει στην ανάπτυξη της μετεωρολογίας και της ωκεανογραφίας, στην εμφάνιση ραντάρ με νέες ιδιότητες και παντός καιρού εργαλεία πλοήγησης, συσκευές για απομακρυσμένη διάγνωση της ποιότητας εξαρτημάτων και συστήματα ασφαλείας που σας επιτρέπουν να ανιχνεύετε όπλα κάτω από τα ρούχα, καθώς και μοναδικές ιατρικές συσκευές.

Βιβλιογραφία

D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84 (2000) 4184.