Сөрөг хугарлын илтгэгчтэй метаматериалууд. Нано-цагаан толгой: метаматериалууд Зүүн гар талын орчны тархалт

Метаматериалууд нь тэдгээрт оруулсан элементүүдийг зохиомлоор өөрчлөх замаар олж авсан тусгай нийлмэл материал юм. Бүтэц нь нано хэмжээстээр өөрчлөгддөг бөгөөд энэ нь атомын хэмжээ, хэлбэр, торны үе, түүнчлэн материалын бусад параметрүүдийг өөрчлөх боломжтой болгодог. Бүтцийн зохиомлоор өөрчлөгдсөний ачаар өөрчлөгдсөн объект нь байгалийн гаралтай материалд байдаггүй цоо шинэ шинж чанарыг олж авдаг.

Дээрх өөрчлөлтийн ачаар сонгосон объектын соронзон, диэлектрик нэвчилт, түүнчлэн бусад физик үзүүлэлтүүд өөрчлөгдсөн. Үүний үр дүнд хувиргасан материалууд нь өвөрмөц оптик, радиофизик, цахилгаан болон бусад шинж чанаруудыг олж авдаг бөгөөд энэ нь шинжлэх ухааны дэвшлийг хөгжүүлэх өргөн боломжийг нээж өгдөг. Энэ чиглэлд ажиллах нь төсөөллийг гайхшруулах цоо шинэ төхөөрөмж, шинэ бүтээлүүд гарч ирэхэд хүргэж болзошгүй юм. Эдгээр нь үл үзэгдэх нөмрөг, супер линз болон бусад олон зүйл юм.

Төрлийн

Метаматериалыг хугарлын зэрэглэлээр нь ихэвчлэн ангилдаг.

Нэг хэмжээст. Тэдгээрийн дотор хугарлын зэрэг нь орон зайд зөвхөн нэг чиглэлд байнга өөрчлөгддөг. Ийм материалыг зэрэгцээ байрлуулсан, хугарлын янз бүрийн зэрэгтэй элементүүдийн давхаргуудаар хийдэг. Тэд зөвхөн заасан давхаргад перпендикуляр байрлах орон зайн нэг чиглэлд өвөрмөц шинж чанарыг харуулах чадвартай.
2D. Тэдгээрийн дотор хугарлын зэрэг нь орон зайн зөвхөн 2 чиглэлд байнга өөрчлөгддөг. Ийм материал нь ихэнх тохиолдолд хугарлын m1 хэмжээтэй тэгш өнцөгт бүтэцтэй бөгөөд хугарлын m2 орчинд байрладаг. Үүний зэрэгцээ хугарлын m1 элементүүд нь куб суурьтай 2 хэмжээст торонд байрладаг. Үүний үр дүнд ийм материал нь орон зайн 2 чиглэлд шинж чанараа харуулах боломжтой юм. Гэхдээ материалын хоёр хэмжээст байдал нь зөвхөн тэгш өнцөгтөөр хязгаарлагдахгүй бөгөөд үүнийг тойрог, эллипс эсвэл бусад дурын хэлбэр ашиглан үүсгэж болно.
3D. Тэдгээрийн дотор хугарлын зэрэг нь орон зайн 3 чиглэлд байнга өөрчлөгддөг. Ийм материалыг ердийн байдлаар гурван хэмжээст торонд байрлах эзэлхүүний утгаараа (эллипс, шоо гэх мэт) массив хэлбэрээр дүрсэлж болно.

Метаматериалуудыг мөн дараахь байдлаар хуваадаг.

Кондукторууд. Тэд хагас бөөмсийг ихээхэн зайд хөдөлгөдөг боловч бага хэмжээний алдагдалтай байдаг.
Диэлектрик . Толин тусгалууд нь бараг төгс нөхцөлд байна.
Хагас дамжуулагч . Эдгээр нь жишээлбэл, зөвхөн тодорхой долгионы урттай хагас бөөмсийг тусгах чадвартай элементүүд юм.
Хэт дамжуулагч . Эдгээр материалд хагас бөөмс бараг хязгааргүй зайг туулж чаддаг.

Үүнээс гадна материалууд байдаг:

Резонансын бус.
Резонант.

Резонансын материал ба резонансын бус элементүүдийн ялгаа нь зөвхөн тодорхой резонансын давтамж дээр диэлектрик тогтмол байдаг.

Метаматериалыг өөр өөр цахилгаан шинж чанараар үүсгэж болно. Тиймээс тэдгээрийг харьцангуй нэвчилтээр нь хуваадаг.

DNG, өөрөөр хэлбэл давхар сөрөг - нэвчилт нь сөрөг байна.
DPS, өөрөөр хэлбэл давхар эерэг - нэвчилт нь эерэг байна.
Сайн уу, өөрөөр хэлбэл өндөр эсэргүүцэлтэй гадаргуу.
SNG, өөрөөр хэлбэл, нэг сөрөг - холимог төрлийн материал.
DZR, өөрөөр хэлбэл давхар тэг - материал нь тэгтэй тэнцэх нэвчилттэй байна.

Төхөөрөмж

Метаматериал гэдэг нь хүний оруулсан микроскопийн бүтцээр шинж чанараараа хангагдсан бодис юм. Тэдгээрийг байгалийн гаралтай өгөгдсөн элементэд янз бүрийн геометрийн хэлбэртэй үечилсэн бүтцийг нэгтгэж, анхны бүтцийн соронзон ба диэлектрик мэдрэмжийг өөрчилснөөр нийлэгжүүлдэг.

Уламжлал ёсоор бол ийм орцыг нэлээд том хэмжээтэй хиймэл атом гэж үзэж болно. Синтезийн явцад материалыг бүтээгч нь бүтцийн хэлбэр, хэмжээ, хугацааны хэлбэлзэл гэх мэт янз бүрийн параметрүүдийг өгөх боломжтой байдаг. Үүний ачаар гайхалтай шинж чанартай материалыг олж авах боломжтой.

Хамгийн алдартай ийм элементүүдийн нэг бол фотоник талстууд юм. Тэдний өвөрмөц байдал нь орон зайд хугарлын зэрэг нь нэг, хоёр, гурван чиглэлд үе үе өөрчлөгдөх замаар илэрдэг. Эдгээр параметрүүдийн ачаар материал нь фотоны энергийг хүлээн авах эсвэл хүлээн авахгүй бүстэй байж болно.

Үүний үр дүнд, хэрэв заасан болорын бүсэд тохирохгүй тодорхой энергитэй (шаардлагатай давтамж ба долгионы урттай) фотон нь заасан бодис руу цацагдах юм бол энэ нь эсрэг чиглэлд тусна. Хэрэв зөвшөөрөгдсөн бүсийн параметрүүдтэй тохирох параметр бүхий фотон болорыг цохих юм бол тэр нь түүний дагуу хөдөлдөг. Өөр нэг байдлаар болор нь оптик шүүлтүүр элементийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Тийм ч учраас эдгээр талстууд нь гайхалтай баялаг, тод өнгөтэй байдаг.

Үйл ажиллагааны зарчим

Зохиомлоор үүссэн материалын гол онцлог нь тэдгээрийн бүтцийн үе үе юм. Энэ байж болох юм 1D, 2Dэсвэл 3Dбүтэц. Үнэндээ тэд маш өөр бүтэцтэй байж болно. Жишээлбэл, тэдгээрийг диэлектрик элемент болгон зохион байгуулж болох бөгөөд тэдгээрийн хооронд нээлттэй утсан цагираг байх болно. Энэ тохиолдолд цагиргууд нь дугуйнаас дөрвөлжин хэлбэртэй байж болно.

Цахилгааны шинж чанарыг ямар ч давтамжтайгаар хадгалахын тулд цагиргууд нь хаалттай бүтэцтэй байдаг. Үүнээс гадна, бодис дахь цагиргууд нь ихэвчлэн санамсаргүй байдлаар байрладаг. Шинэ бодисын өвөрмөц параметрүүдийг хэрэгжүүлэх нь түүний давтамжийн резонанс, түүнчлэн гаднаас цахилгаан соронзон долгионы үр дүнтэй давтамжийн үед тохиолддог.

Өргөдөл

Метаматериал нь цахилгаан соронзон цацрагийг ашигладаг бүх газар нутагт өргөн хэрэглэгддэг бөгөөд цаашид ч өргөн хэрэглэгдэх болно. Эдгээр нь анагаах ухаан, шинжлэх ухаан, үйлдвэрлэл, сансрын тоног төхөөрөмж болон бусад олон зүйл юм. Өнөөдөр аль хэдийн ашиглагдаж байгаа асар их хэмжээний цахилгаан соронзон материалыг бий болгож байна.

Радиофизик ба одон орон судлалын хувьд урт долгионы цацрагийг ашигладаг телескоп эсвэл мэдрэгчийг хамгаалахад маш сайн хэрэглэгддэг тусгай бүрээсийг ашигладаг.
Оптикийн хувьд дифракцийн хугарал нь өргөн хэрэглээг олж авдаг. Жишээлбэл, суперленс аль хэдийн бүтээгдсэн бөгөөд энэ нь стандарт оптикийн нарийвчлалын дифракцийн хязгаарын асуудлыг шийдэх боломжийг бидэнд олгодог. Үүний үр дүнд линзний анхны туршилтын дээж нь гайхалтай гүйцэтгэлийг харуулсан бөгөөд түүний нарийвчлал нь одоо байгаа дифракцийн хязгаараас 3 дахин их байв.

Микроэлектроникийн хувьд метаматериал нь дэлхий дээрх бараг бүх хүний амьдралыг өөрчилж чадах жинхэнэ хувьсгалыг бий болгож чадна. Энэ нь гар утсанд зориулсан жижиг хэмжээтэй, гайхалтай үр ашигтай төхөөрөмж, антеннуудын захиалгад хүргэж болзошгүй юм. Шинэ материалуудын ачаар өгөгдөл хадгалах нягтралыг нэмэгдүүлэх боломжтой болох бөгөөд энэ нь ихээхэн хэмжээний санах ойтой байх боломжтой диск болон бусад олон электрон төхөөрөмжүүд гарч ирнэ гэсэн үг юм;
Гайхалтай хүчирхэг лазеруудыг бий болгох. Өөрчлөгдсөн бүтэцтэй материалыг ашигласны ачаар хүчирхэг лазерууд аль хэдийн гарч ирсэн бөгөөд бага эрчим хүч зарцуулж, хүчтэй, сүйтгэгч гэрлийн импульс үүсгэдэг. Үүний үр дүнд хэдэн арван километрийн зайд байрлах баллистик пуужингуудыг харвах боломжтой лазер зэвсэг гарч ирж магадгүй юм.

Аж үйлдвэрийн лазерууд нь зөвхөн хэдэн арван миллиметр зузаантай металл материалыг төдийгүй илүү том хэмжээтэй материалыг үр дүнтэй зүсэх боломжтой болно.

Шинэ лазер системүүдийн ачаар металл бүтээгдэхүүнийг хурдан, өндөр чанартай хэвлэх боломжтой үйлдвэрлэлийн шинэ 3D принтерүүд гарч ирнэ. Чанарын хувьд тэд металл боловсруулах ердийн аргыг ашиглан үйлдвэрлэсэн бүтээгдэхүүнээс бараг доогуур биш байх болно. Жишээлбэл, энэ нь ердийн нөхцөлд үйлдвэрлэхэд маш их цаг хугацаа, хүчин чармайлт шаарддаг араа эсвэл бусад нарийн төвөгтэй хэсэг байж болно.

Цацрагийн эсрэг шинэ материал бий болгох. Тэдгээрийг бүтээж, ашигласны ачаар дайсны мэдрэгч, радарт харагдахгүй сөнөөгч онгоц, бөмбөгдөгч онгоц, хөлөг онгоц, шумбагч онгоц, танк, робот систем, Ярс, Сармат зэрэг хөдөлгөөнт суурилуулалтыг бий болгох боломжтой болно. Үүнтэй төстэй технологийг зургаа, долоо дахь үеийн сөнөөгч онгоцонд аль хэдийн ашиглаж болно.

Өнөөдөр терагерцийн давтамжийн муж дахь тоног төхөөрөмжийн "үл үзэгдэх" байдлыг хангах боломжтой болсон. Ирээдүйд бүх давтамжийн мужид, тэр дундаа хүний нүдэнд “харагдах” технологи бий болгох боломжтой болно. Ийм шийдлийн нэг бол үл үзэгдэх нөмрөг юм. Одоогийн байдлаар үл үзэгдэх нөмрөг нь аль хэдийн жижиг объектуудыг нууж чаддаг ч зарим дутагдалтай байдаг.

Ханан дундуур харах чадвар. Шинэ хиймэл материалыг ашигласнаар хананы дундуур харах боломжтой төхөөрөмжийг бий болгох боломжтой болно. Өнөөдөр терагерцийн муж дахь цацрагт хүчтэй соронзон хариу үйлдэл үзүүлдэг төхөөрөмжүүдийг аль хэдийн бүтээж байна.
Цэргийн зэвсгийн "хуулбар" эсвэл огт байхгүй "хуулбар" ханыг бий болгох. Метаматериалууд нь тухайн объект байхгүй газарт байгаа мэт хуурмаг байдлыг бий болгох боломжийг олгодог. Жишээлбэл, Оросын цэргийнхэн дайсны пуужингийн довтолгооноос хамгаалах системийг хууран мэхлэхийн тулд жинхэнэ пуужингийн хажууд "нисдэг" олон пуужинг бүтээхэд ижил төстэй технологиудыг ашиглаж байна.

Метаматериал

Метаматериал- нийлмэл материал, шинж чанар нь түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн шинж чанараар тодорхойлогддоггүй, харин зохиомлоор бий болсон үечилсэн бүтцээр тодорхойлогддог.

Метаматериалууд нь төрөл бүрийн геометрийн хэлбэртэй янз бүрийн үечилсэн бүтцийг анхны байгалийн материалд оруулах замаар нийлэгжүүлдэг бөгөөд энэ нь анхны материалын диэлектрик "ε" болон соронзон "μ" мэдрэмжийг өөрчилдөг. Маш бүдүүлэг байдлаар ийм суулгацыг эх материалд зохиомлоор оруулсан асар том хэмжээтэй атом гэж үзэж болно. Метаматериал боловсруулагч нь тэдгээрийг нэгтгэхдээ янз бүрийн чөлөөт параметрүүдийг (бүтцийн хэмжээ, хэлбэр, тэдгээрийн хоорондох тогтмол ба хувьсах хугацаа гэх мэт) сонгох (өөрчлөх) боломжтой.

Үл хөдлөх хөрөнгө

Зүүн гарын хугарлын илтгэгчтэй метаматериалаар гэрлийг нэвтрүүлэх

Метаматериалын боломжит шинж чанаруудын нэг нь диэлектрик ба соронзон нэвчилт нь нэгэн зэрэг сөрөг байх үед гарч ирдэг сөрөг (эсвэл зүүн талын) хугарлын илтгэгч юм. Ийм метаматериалын жишээг Зураг дээр үзүүлэв.

Эффектийн үндэс

Изотроп орчинд цахилгаан соронзон долгионы тархалтын тэгшитгэл нь дараах хэлбэртэй байна.

(1)

хаана долгионы вектор, долгионы давтамж, гэрлийн хурд, хугарлын илтгэгчийн квадрат. Эдгээр тэгшитгэлээс харахад орчны диэлектрик ба соронзон мэдрэмтгий байдлын шинж тэмдгүүдийн нэгэн зэрэг өөрчлөгдөх нь эдгээр харилцаанд ямар ч байдлаар нөлөөлөхгүй нь тодорхой байна.

"Баруун" ба "Зүүн" изотроп медиа

(1) тэгшитгэлийг Максвеллийн онол дээр үндэслэн гаргав. Орчны диэлектрик ба соронзон мэдрэмтгий чанар нь нэгэн зэрэг эерэг байдаг мэдээллийн хэрэгслийн хувьд цахилгаан соронзон орны гурван вектор - цахилгаан, соронзон ба долгион нь систем гэж нэрлэгддэг системийг бүрдүүлдэг. зөв векторууд:

Ийм орчинг "баруун жигүүр" гэж нэрлэдэг.

, нэгэн зэрэг сөрөг байгаа орчныг "зүүн" гэж нэрлэдэг. Ийм орчинд цахилгаан, соронзон, долгионы векторууд нь зүүн талын векторуудын системийг бүрдүүлдэг.

Англи хэл дээрх уран зохиолд тайлбарласан материалыг баруун ба зүүн гарын материал гэж нэрлэдэг, эсвэл товчилсон RHM (баруун) ба LHM (зүүн) гэж нэрлэдэг.

Баруун болон зүүн долгионоор энергийг шилжүүлэх

Долгионоор зөөгдсөн энергийн урсгалыг Пойнтинг вектороор тодорхойлдог бөгөөд энэ нь -тэй тэнцүү байна. Вектор нь үргэлж векторуудтай баруун талын гурвалсан хэсгийг үүсгэдэг. Тиймээс баруун гартай бодисууд нь нэг чиглэлд, зүүн гартай хүмүүсийн хувьд өөр өөр чиглэлд чиглэгддэг. Вектор нь фазын хурдтай чиглэлтэй давхцаж байгаа тул зүүн талын бодисууд нь сөрөг фазын хурд гэж нэрлэгддэг бодисууд болох нь тодорхой байна. Өөрөөр хэлбэл, зүүн гартай бодисуудад фазын хурд нь энергийн урсгалын эсрэг байдаг. Ийм бодисуудад, жишээлбэл, урвуу доплер эффект ажиглагддаг.

Зүүн дунд тархалт

Хэрэв давтамжийн тархалттай бол орчны сөрөг үзүүлэлт байх боломжтой. Хэрэв нэгэн зэрэг , байвал долгионы энерги сөрөг(!) болно. Энэ зөрчилдөөнөөс зайлсхийх цорын ганц арга бол орчин нь давтамжийн тархалт ба .

Зүүн гар талын орчинд долгионы тархалтын жишээ

Супер линз

Ж.Пендригийн энэ саналыг Виктор Веселаго хүлээн зөвшөөрөх боломжгүй гэж шүүмжилсэн. Тиймээс зүүн гартай зөөвөрлөгч дээр суурилсан супер линз үүсгэх асуудал одоогоор яригдаж байгаа бөгөөд линз бүтээх туршилтын оролдлого үргэлжилсээр байна.

Туршилтаар харуулсан анхны сөрөг индексийн суперленз нь дифракцийн хязгаараас гурав дахин илүү нарийвчлалтай байв. Туршилтыг богино долгионы давтамж дээр хийсэн. Супер линзийг 2005 онд оптик мужид нэвтрүүлсэн. Энэ нь сөрөг хугарлыг ашигладаггүй линз байсан боловч үл мэдэгдэх долгионыг нэмэгдүүлэхийн тулд нимгэн мөнгөн давхаргыг ашигласан.

Супер линз бүтээх хамгийн сүүлийн үеийн дэвшлийг тоймд толилуулж байна. Суперленс үүсгэхийн тулд субстрат дээр хуримтлагдсан мөнгө, магнийн фторидын ээлжлэн давхаргыг ашиглан нанограцийг хайчилж авдаг. Үүний үр дүнд хэт улаан туяаны бүсэд сөрөг хугарлын индекс бүхий гурван хэмжээст нийлмэл бүтэц бий болсон. Хоёр дахь тохиолдолд сүвэрхэг хөнгөн цагааны гадаргуу дээр цахилгаан химийн аргаар ургуулсан нано утас ашиглан метаматериалыг бүтээсэн.

2007 оны эхээр харагдах бүсэд сөрөг хугарлын илтгэгчтэй метаматериал бүтээх тухай зарласан. 780 нм долгионы урттай материалын хугарлын илтгэгч -0.6 байв.

Өргөдөл

Саяхан хэд хэдэн шинжлэх ухааны төвүүдээс үл үзэгдэх нөмрөг бүтээх талаар өөр нэг алхам хийсэн гэсэн мэдээлэл гарч байна. Энэхүү нөмрөг нь гэрлийг тусгадаггүй тул бүрхсэн объектоо үл үзэгдэх боломжтой болгодог.

Метаматериалууд нь хугарлын сөрөг илтгэгчтэй байдаг тул радио хайгуулаар илрүүлэх боломжгүй тул объектуудыг өнгөлөн далдлахад тохиромжтой.

Өгүүллэг

Ихэнх тохиолдолд сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалыг гаргах түүх нь "Успехи Физических Наук" сэтгүүлд нэг жилийн хугацаанд нийтлэгдсэн Зөвлөлтийн физикч Виктор Веселагогийн бүтээлийг дурдахаас эхэлдэг (http://ufn.ru). /ru/articles/1967/7/d/ ). Уг нийтлэлд сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалыг "зүүн гартай" гэж нэрлэх боломжийг авч үзсэн. Зохиогч ийм материалаар долгионы тархалтын бараг бүх мэдэгдэж буй оптик үзэгдлүүд мэдэгдэхүйц өөрчлөгддөг гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн боловч тэр үед сөрөг хугарлын илтгэгч материал хараахан мэдэгдээгүй байсан. Гэсэн хэдий ч бодит байдал дээр ийм "солгой гартай" мэдээллийн хэрэгслийн талаар Сивухин (Сивухин Д.В. // Оптик ба спектроскопи, Т.3, P.308 (1957)) болон бусад бүтээлүүдэд ярилцаж байсныг энд тэмдэглэх нь зүйтэй. Пафомовын нийтлэлүүд (Пафомов В. Е. // JETP, T.36, P.1853 (1959); Т.33, П.1074 (1957); Т.30, П.761 (1956)). Асуудлын түүхийн дэлгэрэнгүй тайлбарыг В.М.Агранович, Ю.Н.Гартштейн нарын бүтээлээс олж болно (http://ufn.ru/ru/articles/2006/10/c/).

Сүүлийн жилүүдэд хугарлын сөрөг үзүүлэлттэй холбоотой үзэгдлийн талаар эрчимтэй судалгаа хийж байна. Эдгээр судалгааг эрчимжүүлэх болсон шалтгаан нь зохиомлоор өөрчилсөн тусгай бүтэцтэй, метаматериал хэмээх шинэ анги бий болсон явдал юм. Метаматериалуудын цахилгаан соронзон шинж чанарыг микроскопийн түвшинд өгөгдсөн хэв маягийн дагуу байрлуулсан дотоод бүтцийн элементүүдээр тодорхойлдог. Тиймээс эдгээр материалын шинж чанарыг өөрчлөх боломжтой бөгөөд ингэснээр тэдгээр нь сөрөг хугарлын илтгэгч зэрэг өргөн хүрээний цахилгаан соронзон шинж чанартай байдаг.

бас үзнэ үү

Тэмдэглэл

Энгета НадерМетаматериал: Физик ба инженерийн хайгуул. - Wiley & Sons. - P. xv, 3–30, 37, 143–150, 215–234, 240–256. - ISBN 9780471761020
Смит, Дэвид Р.Цахилгаан соронзон метаматериал гэж юу вэ? . Шинэ цахилгаан соронзон материалууд. Д.Р.-ийн судалгааны бүлэг. Смит (2006 оны 6-р сарын 10). 2012 оны 2-р сарын 15-ны өдөр эх сурвалжаас архивлагдсан. 2009 оны 8-р сарын 19-нд авсан.
Ж.Пендригийн үнэгүй татаж авах баримт бичгийн цуглуулга
Веселаго В.Г.Сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалын электродинамик // UFN. - 2003. - 7. - х. 790-794. - DOI:10.3367/UFNr.0173.200307m.0790
Мунк, Б.А.Метаматериал: Шүүмжлэл ба хувилбарууд. - Хобокен, Н.Ж.: Жон Уайли, 2009. - ISBN 0470377046
A. Grbic болон G.V. Элефтериадс (2004). "Дафракцийн хязгаарыг хавтгай зүүн гарт дамжуулах шугамын линзээр даван туулах нь." Физик тойм захидал 92 . DOI:10.1103/PhysRevLett.92.117403.
N. Fang нар. (2005). "Мөнгөн суперленс бүхий дэд дифракцийн хязгаарлагдмал оптик дүрслэл." Шинжлэх ухаан 308 (5721): 534–7. DOI:10.1126/science.1108759. PMID 15845849. Дүгнэлт гаргах.
(2008) "Метаматериалууд гэрлийг шинэ түвшинд хүргэдэг." Химийн болон инженерийн мэдээ 86 (33).
J. Valentine et al. (2008). "Сөрөг хугарлын илтгэгчтэй гурван хэмжээст оптик метаматериал." Байгаль 455 (7211): 376–9.

Гэрлийн хурдны харьцаа -тайвакуум дахь фазын хурд vхүрээлэн буй орчны гэрэл:

дуудсан үнэмлэхүй хугарлын илтгэгчэнэ орчин.

ε - харьцангуй диэлектрик тогтмол;

μ - харьцангуй соронзон нэвчилт.

Вакуумаас бусад аливаа орчны хувьд үнэ цэнэ nгэрлийн давтамж, орчны төлөв байдлаас (түүний температур, нягтрал гэх мэт) хамаарна. Ховор орчинд (жишээлбэл, ердийн нөхцөлд хий).

Ихэнхдээ хоёр оптик зөөвөрлөгчийн хоорондох гэрлийн хугарлын нөлөөг авч үзэхэд материалын хугарлын илтгэгчийг санаж байдаг.

Энэ үзэгдлийг тайлбарласан болно Снелийн хууль:

Энд α нь хугарлын илтгэгчтэй орчноос ирж буй гэрлийн тусгалын өнцөг юм n 1, ба β нь хугарлын илтгэгчтэй орчинд гэрлийн хугарлын өнцөг юм n 2.

Байгальд байдаг бүх мэдээллийн хэрэгслийн хувьд хугарлын болон хугарсан гэрлийн туяа нь хугарлын цэг дээрх зөөвөрлөгчүүдийн хоорондох интерфэйсийг сэргээсэн хэвийн байдлын эсрэг талд байдаг. Гэсэн хэдий ч, хэрэв бид Снелийн хуулийг албан ёсоор орлуулах юм бол n 2<0 , дараах нөхцөл байдал үүснэ: туссан болон хугарсан гэрлийн туяа хэвийн нэг талд байна.

Сөрөг хугарлын илтгэгчтэй өвөрмөц материалууд байх онолын боломжийг 40 шахам жилийн өмнө Зөвлөлтийн физикч В.Веселаго онцлон тэмдэглэсэн байдаг. Баримт нь хугарлын илтгэгч нь бодисын бусад хоёр үндсэн шинж чанар болох диэлектрик тогтмолтой холбоотой юм ε ба соронзон нэвчих чадвар μ энгийн хамаарлаар: n 2 = ε·μ. Энэхүү тэгшитгэл нь n-ийн эерэг ба сөрөг утгуудын аль алинаар нь хангагдсан хэдий ч эрдэмтэд Веселаго харуулах хүртэл сүүлийн үеийн физик утгад итгэхээс удаан хугацаагаар татгалзсан. n< 0 нэгэн зэрэг болсон тохиолдолд ε < 0 Тэгээд μ < 0 .

Сөрөг диэлектрик тогтмол бүхий байгалийн материалыг сайн мэддэг - плазмын давтамжаас дээш давтамжтай аливаа метал (метал ил тод болдог). Энэ тохиолдолд ε < 0 Энэ нь метал дахь чөлөөт электронууд нь гадаад цахилгаан соронзон орныг хамгаалж байгаатай холбоотой юм. Материалыг бүтээх нь илүү хэцүү байдаг μ < 0 , ийм материал байгальд байдаггүй.

Английн эрдэмтэн Жон Пендри 1999 онд цоорхойтой дамжуулагч цагирагийн сөрөг соронзон нэвчилтийг олж авах боломжтойг харуулах хүртэл 30 жил болсон. Хэрэв та ийм цагиргийг хувьсах соронзон орон дээр байрлуулбал цагирагт цахилгаан гүйдэл үүсч, цоорхойд нуман цэнэг гарч ирнэ. Учир нь индукцийг металл цагирагтай холбож болно Л, мөн завсар нь үр дүнтэй багтаамжтай тохирч байна ХАМТ, системийг резонансын давтамжтай хамгийн энгийн хэлбэлзлийн хэлхээ гэж үзэж болно ω 0 ~ 1/(LC) -1/2. Энэ тохиолдолд систем нь өөрийн соронзон орныг үүсгэдэг бөгөөд энэ нь хувьсах соронзон орны давтамж дээр эерэг байх болно. ω < ω 0 болон сөрөг үед ω > ω 0 .

Тиймээс цахилгаан соронзон цацрагийн цахилгаан ба соронзон бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд сөрөг хариу үйлдэл үзүүлэх системүүд боломжтой. Дэвид Смитийн удирдлаган дор Америкийн судлаачид 2000 онд анх удаа хоёр системийг нэг материалд нэгтгэсэн. Үүсгэсэн метаматериал нь хариуцах металл бариулаас бүрддэг ε < 0 , болон зэс цагираг резонаторууд, үүний ачаар хүрэх боломжтой болсон μ < 0 .

Ийм бүтэц нь бие даасан макроскоп объектуудаас бүрддэг тул уламжлалт утгаараа материал гэж нэрлэгдэх боломжгүй юм. Үүний зэрэгцээ энэ бүтэц нь богино долгионы цацрагт "оновчлогдсон" бөгөөд долгионы урт нь метаматериалын бие даасан бүтцийн элементүүдээс хамаагүй урт юм. Тиймээс богино долгионы үүднээс авч үзвэл сүүлийнх нь нэгэн төрлийн, жишээлбэл, харагдах гэрлийн оптик шил гэх мэт. Бүтцийн элементүүдийн хэмжээг дараалан бууруулснаар терагерц (300 ГГц-ээс 3 ТГц хүртэл) ба хэт улаан туяаны (1.5 ГГц-ээс 400 ТГц хүртэл) спектрийн мужид сөрөг хугарлын индекс бүхий метаматериалуудыг бий болгох боломжтой. Орчин үеийн нано технологийн ололт амжилтын ачаар ойрын ирээдүйд спектрийн харагдахуйц метаматериал бий болно гэж эрдэмтэд найдаж байна.

Ийм материалыг практикт ашиглах нь юуны түрүүнд тэдгээрт суурилсан терагерц оптикийг бий болгох боломжтой холбоотой бөгөөд энэ нь эргээд цаг уур, далай судлалын хөгжил, шинэ шинж чанартай, бүх цаг агаар бүхий радарууд үүсэхэд хүргэнэ. навигацийн хэрэгсэл, эд ангиудын чанарыг алсаас оношлох төхөөрөмж, хувцаснаас зэвсгийг илрүүлэх боломжийг олгодог аюулгүй байдлын систем, түүнчлэн өвөрмөц эмнэлгийн хэрэгсэл.

Гайхамшигтай оптик шинж чанартай мета материалаар бүтээгдсэн супер линз нь ашигласан гэрлийн долгионы уртаас бага нарийвчлалтай зургийг бүтээх боломжтой.

Бараг 40 жилийн өмнө Зөвлөлтийн эрдэмтэн Виктор Веселаго хугарлын сөрөг илтгэгчтэй материал байдаг гэсэн таамаглал дэвшүүлсэн (UFN, 1967, 92-р боть, 517-р хуудас). Тэдгээрийн доторх гэрлийн долгион нь цацрагийн тархалтын чиглэлийн эсрэг хөдөлж, ерөнхийдөө гайхалтай байдлаар ажиллах ёстой бөгөөд эдгээр материалаар хийсэн линз нь ид шидийн шинж чанартай, давтагдашгүй шинж чанартай байх ёстой. Гэсэн хэдий ч мэдэгдэж байгаа бүх бодисууд эерэг хугарлын илтгэгчтэй байдаг: хэдэн жилийн эрчимтэй хайлт хийсний дараа Веселаго тохирох цахилгаан соронзон шинж чанартай нэг ч материалыг олж чадаагүй бөгөөд түүний таамаглалыг мартжээ. Тэд үүнийг 21-р зууны эхээр л санаж байсан. (см.: ).

Материалын шинжлэх ухааны сүүлийн үеийн ололт амжилтын ачаар Веселагогийн санаа дахин сэргэсэн. Бодисын цахилгаан соронзон шинж чанар нь тэдгээрийг бүрдүүлдэг атом, молекулуудын шинж чанараар тодорхойлогддог бөгөөд тэдгээр нь нэлээд явцуу шинж чанартай байдаг. Тиймээс бидэнд мэдэгдэж байгаа сая сая материалын шинж чанар нь тийм ч олон янз байдаггүй. Гэсэн хэдий ч 1990-ээд оны дундуур. Материалын технологийн төвийн эрдэмтэд. Английн Маркони макроскопийн элементүүдээс бүрдсэн метаматериалуудыг бүтээж, цахилгаан соронзон долгионыг ямар ч мэдэгдэж буй бодисоос тэс өөр аргаар тарааж эхлэв.

2000 онд Дэвид Смит болон Сан Диегогийн Калифорнийн Их Сургуулийн хамт олон сөрөг хугарлын илтгэгчтэй метаматериал бүтээжээ. Түүний доторх гэрлийн үйлдэл нь маш хачирхалтай болсон тул онолчид бодисын цахилгаан соронзон шинж чанарын тухай номыг дахин бичих шаардлагатай болжээ. Туршилтын мэргэжилтнүүд метаматериалын гайхалтай шинж чанарыг ашиглах технологийг аль хэдийн хөгжүүлж, ашигласан гэрлийн долгионы уртаас бага нарийвчлалтай зураг гаргах боломжтой супер линзийг бүтээж байна. Тэдгээрийн тусламжтайгаар наноскопийн элементүүдтэй микро схемүүдийг хийж, оптик дискэн дээр асар их хэмжээний мэдээллийг бүртгэх боломжтой болно.

Сөрөг хугарал

Сөрөг хугарал хэрхэн үүсдэгийг ойлгохын тулд цахилгаан соронзон цацрагийн бодистой харилцан үйлчлэх механизмыг авч үзье. Түүгээр дамжин өнгөрөх цахилгаан соронзон долгион (гэрлийн цацраг гэх мэт) нь атом эсвэл молекулын электронуудыг хөдөлгөдөг. Энэ нь долгионы энергийн нэг хэсгийг зарцуулдаг бөгөөд энэ нь түүний шинж чанар, тархалтын шинж чанарт нөлөөлдөг. Шаардлагатай цахилгаан соронзон шинж чанарыг олж авахын тулд судлаачид материалын химийн найрлагыг сонгодог.

Гэхдээ метаматериалын жишээнээс харахад хими бол бодисын сонирхолтой шинж чанарыг олж авах цорын ганц арга зам биш юм. Материалын цахилгаан соронзон хариу үйлдлийг макроскопийн жижиг бүтцийг бий болгосноор "инженерчлэх" боломжтой. Баримт нь ихэвчлэн цахилгаан соронзон долгионы урт нь атом эсвэл молекулуудын хэмжээнээс хэд хэдэн дарааллаар их байдаг. Долгион нь бие даасан молекул эсвэл атомыг биш, харин сая сая бөөмсийн хамтын урвалыг "хардаг". Энэ нь метаматериалын хувьд ч мөн адил бөгөөд тэдгээрийн элементүүд нь долгионы уртаас хамаагүй бага байдаг.

Нэрнээс нь харахад цахилгаан соронзон долгионы талбар нь цахилгаан ба соронзон бүрэлдэхүүнтэй байдаг. Материалын электронууд цахилгаан орны нөлөөгөөр нааш цааш, соронзон орны нөлөөгөөр тойрог хэлбэрээр хөдөлдөг. Харилцан үйлчлэлийн зэрэг нь тухайн бодисын хоёр шинж чанараар тодорхойлогддог: диэлектрик тогтмол ε ба соронзон нэвчих чадвар μ . Эхнийх нь электронуудын цахилгаан талбарт үзүүлэх урвалын зэрэг, хоёр дахь нь соронзон орны урвалын зэргийг харуулдаг. Материалын дийлэнх нь ε Тэгээд μ Тэгээс дээш.

Бодисын оптик шинж чанар нь хугарлын илтгэгчээр тодорхойлогддог n-тай холбоотой ε Тэгээд μ энгийн харилцаа: n = ± √(ε∙μ). Бүх мэдэгдэж буй материалууд нь квадрат язгуурын өмнө "+" тэмдэгтэй байх ёстой тул хугарлын эерэг илтгэгчтэй байх ёстой. Гэсэн хэдий ч 1968 онд Веселаго сөрөг бодис агуулдаг болохыг харуулсан ε Тэгээд μ Хугарлын индекс nтэгээс бага байх ёстой. Сөрөг ε эсвэл μ Материал дахь электронууд цахилгаан ба соронзон орны нөлөөгөөр үүссэн хүчний эсрэг чиглэлд шилжих үед үүсдэг. Хэдийгээр энэ зан үйл нь хачирхалтай мэт боловч цахилгаан болон соронзон орны хүчний эсрэг электрон хөдөлгөх нь тийм ч хэцүү биш юм.

Хэрэв та савлуурыг гараараа түлхэх юм бол энэ нь түлхэх чиглэлд дуулгавартай хөдөлж, резонансын давтамж гэж нэрлэгддэг хэлбэлзэж эхэлнэ. Савлуурыг цаг хугацаанд нь түлхэж өгснөөр та хэлбэлзлийн далайцыг нэмэгдүүлэх боломжтой. Хэрэв та үүнийг илүү өндөр давтамжтайгаар дарвал цочрол нь фазын хэлбэлзэлтэй давхцахаа больж, хэзээ нэгэн цагт гар нь түүн рүү хөдөлж буй дүүжинд цохигдох болно. Үүний нэгэн адил сөрөг хугарлын илтгэгч материал дахь электронууд фазаасаа гарч, цахилгаан соронзон орны "түлхэлтийг" эсэргүүцэж эхэлдэг.

Метаматериал

Энэ төрлийн сөрөг урвалын гол түлхүүр нь резонанс, өөрөөр хэлбэл тодорхой давтамжтайгаар чичиргээ хийх хандлага юм. Энэ нь соронзон эсвэл цахилгаан орон дахь бодисын хариу үйлдлийг дуурайлган жижиг резонансын хэлхээг ашиглан метаматериалд зохиомлоор бүтээгдсэн. Жишээлбэл, хугарсан цагираган резонатор (RRR) -д металл цагирагаар дамжин өнгөрөх соронзон урсгал нь зарим материалын соронзон хүчийг үүсгэдэг гүйдэлтэй төстэй дугуй гүйдлийг өдөөдөг. Шулуун төмөр бариултай торонд цахилгаан орон нь тэдгээрийн дагуу чиглэсэн гүйдлийг үүсгэдэг.

Ийм хэлхээн дэх чөлөөт электронууд нь дамжуулагчийн хэлбэр, хэмжээнээс хамааран резонансын давтамжтайгаар хэлбэлздэг. Хэрэв резонансын давтамжаас доогуур давтамжтай талбарыг хэрэглэвэл хэвийн эерэг хариу үйлдэл ажиглагдана. Гэсэн хэдий ч давтамж ихсэх тусам хариу нь сөрөг болдог, яг л та дүүжлүүрийг резонансын давтамжаас дээш давтамжтайгаар түлхэх үед таны зүг хөдөлж байгаатай адил. Тиймээс тодорхой давтамжийн мужид байгаа дамжуулагч нь цахилгаан талбарт сөрөг нөлөө үзүүлдэг ε , мөн зүсэлттэй цагираг нь сөрөг утгатай материалыг дуурайж чаддаг μ . Эдгээр дамжуулагч ба зүсэлттэй цагираг нь Veselago-гийн хайж байсан олон төрлийн метаматериалуудыг бүтээхэд шаардлагатай энгийн блокууд юм.

Сөрөг хугарлын илтгэгч материал бий болгох анхны туршилтын баталгааг 2000 онд Сан Диего дахь Калифорнийн их сургуульд олж авсан. UCSD). Метаматериалын үндсэн блокууд нь долгионы уртаас хамаагүй бага байх ёстой тул судлаачид сантиметр долгионы урттай цацраг туяагаар ажиллаж, хэдхэн миллиметр хэмжээтэй элементүүдийг ашигласан.

Калифорнийн эрдэмтэд призм хэлбэрээр угсарсан ээлжлэн дамжуулагч ба RKR-аас бүрдсэн метаматериал зохион бүтээжээ. Кондукторууд сөрөг мэдээлэл өгсөн ε , мөн зүсэлттэй цагираг - сөрөг μ . Үр дүн нь сөрөг хугарлын илтгэгч байх ёстой. Харьцуулбал яг ижил хэлбэрийн призмийг Teflon-аас хийсэн n= 1.4. Судлаачид богино долгионы цацрагийг призмийн ирмэг рүү чиглүүлж, өөр өөр өнцгөөс гарч буй долгионы эрчмийг хэмжсэн байна. Хүлээгдэж байсанчлан цацраг нь Teflon призмээр эерэг хугарсан ба метаматериал призмээр сөрөг хугарсан. Веселагогийн таамаглал бодитой болсон: сөрөг хугарлын илтгэгч материалыг эцэст нь олж авав. Эсвэл биш?

Хүссэн үү эсвэл бодит үү?

Туршилтууд UCSDСөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалын шинж чанарын талаар физикчдийн хийсэн гайхалтай шинэ таамаглалуудын зэрэгцээ бусад судлаачдын сонирхлыг татав. Веселаго өөрийн таамаглалыг илэрхийлэхэд метаматериал хараахан байгаагүй бөгөөд шинжээчид сөрөг хугарлын үзэгдлийг сайтар судлаагүй байна. Одоо тэд түүнд илүү их анхаарал хандуулж эхлэв. Эргэлзэгчид сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалууд нь физикийн үндсэн хуулийг зөрчиж байна уу гэж асуусан. Хэрэв энэ нь тогтоогдвол судалгааны хөтөлбөр бүхэлдээ эргэлзээ төрүүлэх болно.

Хамгийн ширүүн маргаан нь нарийн төвөгтэй материал дахь долгионы хурдны тухай асуултаас үүдэлтэй байв. Гэрэл хамгийн их хурдтайгаар вакуум орчинд тархдаг в= 300 мянган км/с. Материал дахь гэрлийн хурд бага байна: v =c/n. Гэхдээ яах бол nсөрөг? Гэрлийн хурдны томъёоны энгийн тайлбар нь гэрэл эсрэг чиглэлд тархдаг болохыг харуулж байна.

Илүү бүрэн хариулт нь долгион нь фаз ба бүлэг гэсэн хоёр хурдтай болохыг харгалзан үздэг. Тэдгээрийн утгыг ойлгохын тулд гэрлийн импульсийг зөөвөрлөх замаар төсөөлөөд үз дээ. Энэ нь иймэрхүү харагдах болно: долгионы далайц нь импульсийн төвд хамгийн ихдээ нэмэгдэж, дараа нь дахин буурдаг. Фазын хурд нь бие даасан тэсрэлтүүдийн хурд бөгөөд бүлгийн хурд нь импульсийн бүрхүүлийн хөдөлж буй хурд юм. Тэд адилхан байх албагүй.

Сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалд бүлэг ба фазын хурдууд эсрэг чиглэлд хөдөлдөг болохыг Веселаго олж мэдэв: бие даасан максимум ба минимум хойшоо хөдөлж, бүх импульс урагш хөдөлдөг. Сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалд дүрсэн эх үүсвэрээс (жишээлбэл, гэрэлтүүлэгч) тасралтгүй үргэлжлэх гэрлийн цацраг хэрхэн ажиллахыг авч үзэх нь сонирхолтой юм. Хэрэв бид гэрлийн долгионы бие даасан хэлбэлзлийг ажиглаж чадвал тэдгээр нь туяагаар гэрэлтсэн объект дээр гарч ирэх, хойшоо хөдөлж, эцэст нь анхаарлын төвд алга болохыг харах болно. Гэсэн хэдий ч гэрлийн цацрагийн энерги гэрлийн эх үүсвэрээс холдож, урагш хөдөлдөг. Яг энэ чиглэлд цацраг нь бие даасан хэлбэлзлийнхээ гайхалтай ухрах хөдөлгөөнийг үл харгалзан үнэхээр тархдаг.

Практикт гэрлийн долгионы бие даасан хэлбэлзлийг ажиглахад хэцүү байдаг бөгөөд импульсийн хэлбэр нь маш нарийн төвөгтэй байдаг тул физикчид ихэвчлэн фазын болон бүлгийн хурдны ялгааг харуулахын тулд ухаалаг заль мэхийг ашигладаг. Бага зэрэг өөр долгионы урттай хоёр долгион нэг чиглэлд шилжихэд тэдгээр нь хөндлөнгөөс оролцож, оргилууд нь бүлгийн хурдаар хөдөлдөг цохилтын хэв маягийг үүсгэдэг.

Энэ аргыг туршилтанд ашиглах UCSD 2002 онд хугарлын үед Прашант М.Валанжу болон түүний Остин дахь Техасын их сургуулийн хамт олон нэгэн сонирхолтой зүйлийг ажиглажээ. Сөрөг ба эерэг хугарлын илтгэгчтэй зөөвөрлөгчүүдийн хоорондох интерфэйс дээр хугарч, өөр өөр долгионы урттай хоёр долгион бага зэрэг өөр өнцгөөр хазайсан. Цохилтын загвар нь сөрөг хугаралтай цацрагийн хувьд байх ёстой шиг биш, харин эерэг хугаралттай байх ёстой байсан. Цохилтын хэв маягийг бүлгийн хурдтай харьцуулснаар Техасын судлаачид физикийн хувьд боломжтой аливаа долгион эерэг хугаралтыг мэдрэх ёстой гэж дүгнэжээ. Хэдийгээр сөрөг хугарлын илтгэгч материал байж болох ч сөрөг хугарлыг бий болгож чадахгүй.

Дараа нь бид туршилтын үр дүнг хэрхэн тайлбарлах вэ? UCSD? Валанжоу болон бусад олон судлаачид ажиглагдсан сөрөг хугарлыг бусад үзэгдлүүдтэй холбосон. Магадгүй дээж нь маш их энерги шингээсэн тул долгион нь зөвхөн призмийн нарийхан талаас гарч ирэн сөрөг хугарлыг дуурайсан болов уу? Эцсийн эцэст, метаматериал UCSDцацрагийг маш сайн шингээдэг бөгөөд хэмжилтийг призмийн ойролцоо хийсэн. Тиймээс шингээлтийн таамаглал нь нэлээд үндэслэлтэй харагдаж байна.

Судалгааны үр дүн маш их түгшүүр төрүүлэв: тэд зөвхөн туршилтыг хүчингүй болгож чадна UCSD, гэхдээ бас Veselago-ийн таамагласан үзэгдлийн бүх хүрээг хамарна. Гэсэн хэдий ч хэсэг хугацааны дараа бид бүлгийн хурдны үзүүлэлт болох цохилтын загварт найдаж болохгүй гэдгийг ойлгосон: өөр өөр чиглэлд хөдөлж буй хоёр долгионы хувьд хөндлөнгийн загвар нь бүлгийн хурдтай ямар ч холбоогүй юм.

Шүүмжлэгчдийн аргументууд сүйрч эхэлснээр сөрөг хугарлын нэмэлт туршилтын нотолгоо гарч ирэв. Минас Таниелиан групп ( Минас Таниэлиан) компаниас Boeing Phantom WorksСиэтлд туршилтаа давтав UCSDмаш бага шингээлттэй метаматериалаар хийсэн призмтэй. Нэмж дурдахад мэдрэгч нь призмээс хол зайд байрладаг тул метаматериал дахь шингээлтийг цацрагийн сөрөг хугаралтай андуурч болохгүй. Шинэ өгөгдлийн дээд зэргийн чанар нь сөрөг хугарлын талаархи эргэлзээг эцэс болгож байна.

Үргэлжлэл бий

Тулааны утаа арилах үед бид Веселагогийн хэлсэн гайхалтай түүх нь сөрөг үзүүлэлттэй материалуудын сүүлчийн үг биш гэдгийг ойлгож эхлэв. Зөвлөлтийн эрдэмтэн янз бүрийн материалын хил дээрх тусгал, хугарлыг харгалзан гэрлийн цацрагийг геометрийн аргаар бүтээх аргыг ашигласан. Энэхүү хүчирхэг техник нь жишээлбэл, усан сан дахь объектууд яагаад гадаргуу дээр байгаагаас нь илүү ойр харагддаг, шингэнд хагас дүрсэн харандаа яагаад нугалж харагддагийг ойлгоход тусалдаг. Гол нь усны хугарлын илтгэгч ( n= 1.3) нь агаараас их, гэрлийн цацраг нь агаар ба усны зааг дээр хугардаг. Хугарлын илтгэгч нь бодит гүн ба харагдах гүний харьцаатай ойролцоогоор тэнцүү байна.

Veselago цацрагийг сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалаар хийсэн гэж таамаглахын тулд туяа мөрдөх аргыг ашигласан. n= −1 нь өвөрмөц шинж чанартай линзийн үүрэг гүйцэтгэх ёстой. Бидний ихэнх нь эерэг хугарлын материалаар хийсэн линзийг мэддэг - камер, томруулагч, микроскоп, телескоп. Тэд фокусын урттай бөгөөд зураг үүсэх газар нь фокусын урт ба объект ба линзийн хоорондох зайны хослолоос хамаардаг. Зургууд нь ихэвчлэн объектоос хэмжээнээсээ ялгаатай байдаг бөгөөд линз нь тэнхлэг дээр байрлах объектуудад линз хамгийн сайн ажилладаг. Veselago линз нь ердийнхөөс тэс өөр ажилладаг: түүний ажиллагаа нь илүү хялбар бөгөөд зөвхөн түүний хажууд байрлах объектуудад нөлөөлдөг бөгөөд линзний нэг талаас нөгөө рүү оптик талбарыг бүхэлд нь шилжүүлдэг.

Веселагогийн линз нь маш ер бусын тул Жон Пендри ( Жон Б.Пендри) Би гайхах ёстой байсан: энэ нь хэр төгс ажиллаж чадах вэ? Ялангуяа Veselago линзний хамгийн дээд нарийвчлал нь юу байж болох вэ? Эерэг хугарлын индекс бүхий оптик элементүүд нь дифракцийн хязгаараар хязгаарлагддаг - тэдгээр нь объектоос туссан гэрлийн долгионы урттай тэнцүү буюу түүнээс их шинж чанарыг шийдэж чадна. Дифракци нь микроскопоор харж болох хамгийн жижиг биет эсвэл дурангаар шийдэж чадах хоёр одны хоорондох хамгийн бага зай гэх мэт дүрслэлийн бүх системд дээд хязгаарыг тавьдаг. Дифракц нь микрочип (чип) үйлдвэрлэхэд оптик литографийн процесст үүсгэж болох хамгийн жижиг нарийн ширийн зүйлийг тодорхойлдог. Үүний нэгэн адил дифракц нь оптик дижитал видео диск (DVD) дээр хадгалах эсвэл унших боломжтой мэдээллийн хэмжээг хязгаарладаг. Дифракцийн хязгаарыг давах арга нь технологид хувьсгал хийж, оптик литографийг нано масштабын хүрээнд нэвтэрч, оптик диск дээр хадгалагдсан өгөгдлийн хэмжээг хэдэн зуу дахин нэмэгдүүлэх боломжтой.

Сөрөг хугарлын оптик нь ердийн ("эерэг") оптикийг үнэхээр давж чадах эсэхийг тодорхойлохын тулд бид зөвхөн цацрагийн замыг харахаас цааш явах хэрэгтэй. Эхний арга нь дифракцийг үл тоомсорлодог тул сөрөг хугарлын линзний нарийвчлалыг урьдчилан таамаглахад ашиглах боломжгүй юм. Дифракцийг оруулахын тулд бид цахилгаан соронзон орны талаар илүү нарийн тодорхойлолтыг ашиглах шаардлагатай болсон.

Супер линз

Үүнийг илүү нарийвчлалтай тайлбарлахын тулд атом, радио антен эсвэл гэрлийн цацраг ялгаруулдаг аливаа эх үүсвэрээс цахилгаан соронзон долгион нь жижиг нүхээр дамжин өнгөрсний дараа алс холын болон ойрын талбар гэсэн хоёр өөр төрлийн талбайг үүсгэдэг. Нэрнээс нь харахад алслагдсан талбар нь объектоос хол зайд ажиглагдаж, линзээр баригдаж, объектын дүрсийг бүрдүүлдэг. Харамсалтай нь энэ зураг нь зөвхөн объектын бүдүүлэг зургийг агуулдаг бөгөөд дифракц нь нарийвчлалыг долгионы уртаар хязгаарладаг. Ойролцоох талбар нь объектын бүх нарийн ширийн зүйлийг агуулдаг боловч түүний эрчим нь зайнаас хурдан буурдаг. Эерэг хугарлын линз нь маш сул ойролцоох талбайг таслан авч, түүний өгөгдлийг дүрс рүү дамжуулах боломжийг олгодоггүй. Гэсэн хэдий ч энэ нь сөрөг хугарлын линзний хувьд үнэн биш юм.

2000 онд Пендри эх сурвалжийн ойрын болон алслагдсан талбарууд нь Veselago линзтэй хэрхэн харьцаж байгааг нарийвчлан судалсны дараа хүн бүрийг гайхшруулж, линз нь зарчмын хувьд ойрын болон алс холын талбайн аль алиныг нь төвлөрүүлж чаддаг гэсэн дүгнэлтэд хүрсэн. Хэрэв энэ гайхалтай таамаглал үнэн байсан бол энэ нь Veselago линз нь бусад бүх мэдэгдэж буй оптикуудаас ялгаатай нь дифракцийн хязгаарт хамаарахгүй гэсэн үг юм. Тиймээс сөрөг хугарал бүхий хавтгай бүтцийг суперленс гэж нэрлэдэг.

Дараачийн шинжилгээгээр бид болон бусад хүмүүс супер линзийн нягтрал нь сөрөг хугарлын материалын чанараар хязгаарлагддаг болохыг олж мэдсэн. Хамгийн сайн гүйцэтгэлтэй байхын тулд зөвхөн хугарлын индекс төдийгүй шаардлагатай n−1-тэй тэнцүү байсан ч ε ба μ хоёулаа −1-тэй тэнцүү байна. Эдгээр нөхцөл хангагдаагүй линзний нягтрал нь огцом муудсан. Эдгээр нөхцлийг нэгэн зэрэг биелүүлэх нь маш ноцтой шаардлага юм. Харин 2004 онд Энтони Грбич ( Энтони Грибич) болон Жорж Элефтериадс ( Жорж V. ЭлефтериадесТоронтогийн Их Сургуулийн эрдэмтэд радио давтамжийн мужид ε =−1, μ =−1 байхаар бүтээгдсэн метаматериал нь дифракцийн хязгаараас бага масштабтай объектуудыг үнэхээр шийдэж чадна гэдгийг туршилтаар харуулсан. Тэдний үр дүн нь суперленс бүтээх боломжтой гэдгийг нотолсон боловч илүү богино оптик долгионы уртад зориулж бүтээж болох уу?

Метаматериалыг оптик долгионы урттай болгоход хүндрэлтэй байгаа нь хоёр талтай. Нэгдүгээрт, дамжуулагч ба хуваах цагираг зэрэг метаматериал чипийг бүрдүүлдэг металл дамжуулагч элементүүдийг харагдах гэрлийн долгионы уртаас (400-700 нм) бага байлгахын тулд нанометрийн масштаб хүртэл багасгах шаардлагатай. Хоёрдугаарт, богино долгионы урт нь илүү өндөр давтамжтай таарч, ийм давтамжтай металууд нь дамжуулах чанар муутай байдаг тул метаматериалын шинж чанарт суурилсан резонансын дарангуйлдаг. 2005 онд Костас Суколис ( Костас Сукулис) Айовагийн их сургууль, Мартин Вегенер ( Мартин Вегенер) Германы Карлсруэгийн их сургуулийн эрдэмтэд 1.5 микрон хүртэлх долгионы уртад ажилладаг ангархай цагираг хийх боломжтойг туршилтаар харуулсан. Ийм богино долгионы урттай талбайн соронзон бүрэлдэхүүн хэсэг дээрх резонанс маш сул болж байгаа хэдий ч ийм элементүүдээр сонирхолтой метаматериалууд үүсч болно.

Гэхдээ бид үзэгдэх гэрлийн долгионы уртад μ =−1 үр дүнд хүргэх материалыг хараахан хийж чадахгүй байна. Аз болоход буулт хийх боломжтой. Обьект болон дүрс хоорондын зай долгионы уртаас хамаагүй бага үед зөвхөн ε =−1 нөхцөлийг хангах шаардлагатай бөгөөд μ-ийн утгыг үл тоомсорлож болно. Өнгөрсөн жил л Ричард Блэйкийн хамтлаг ( Ричард Блэйки) Шинэ Зеландын Кентербери их сургууль болон Шиан Жангийн бүлгээс ( Шян Жан) Калифорнийн Их Сургуулийн Беркли эдгээр удирдамжийн дагуу оптик систем дэх хэт нягтралыг бие даан харуулсан. Оптик долгионы уртад металлын дотоод резонансын улмаас сөрөг диэлектрик тогтмол (ε) үүсдэг. Тиймээс ε = -1 долгионы урттай маш нимгэн металл давхарга нь суперленсийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Блэйки, Юнг нар гэрлийн долгионы уртаас бага хэлбэртэй нүхнээс ялгарах 365 нм гэрлийн цацрагийг дүрслэхийн тулд 40 нм зузаантай мөнгөн давхаргыг ашигласан. Хэдийгээр мөнгөн хальс нь хамгийн тохиромжтой линзээс хол байсан ч мөнгөн суперленз нь зургийн нягтралыг мэдэгдэхүйц сайжруулж, супер линзний үндсэн зарчим зөв болохыг нотолсон.

Ирээдүй рүү харах

Суперленсийн үзүүлбэр нь сөрөг хугарлын материалын шинж чанарын талаарх олон таамаглалуудын хамгийн сүүлийнх нь бөгөөд энэ өргөжиж буй салбарт хурдацтай ахиц дэвшил гарч байгаагийн шинж юм. Сөрөг хугарлын боломж нь физикчдийг цахилгаан соронзон орны бараг бүхэл бүтэн талбарыг эргэн харахыг албадав. Энэхүү санааны хүрээ бүрэн ойлгогдох үед хугарлын хугарал, нарийвчлалын дифракцийн хязгаар зэрэг оптикийн үндсэн үзэгдлүүдийг сөрөг хугарлын материалтай холбоотой гэнэтийн шинэ эргэлтийг харгалзан үзэх шаардлагатай болно.

Метаматериалын ид шид ба сөрөг хугарлын ид шидийг хэрэглээний технологи болгон "хувиргах" шаардлагатай хэвээр байна. Ийм алхам нь метаматериалын дизайныг сайжруулж, боломжийн үнээр үйлдвэрлэх шаардлагатай болно. Одоо энэ чиглэлээр олон судалгааны бүлгүүд ажиллаж байгаа бөгөөд асуудлыг шийдвэрлэх арга замыг эрчимтэй боловсруулж байна.

Виктор Веселагогийн онол ба практик

Физик-математикийн шинжлэх ухааны доктор, IOFAN-ийн ажилтан, Москвагийн Физик технологийн дээд сургуулийн профессор Виктор Георгиевич Веселагогийн хувь заяа түүнд сонирхолтой онигоо тогложээ. Бүх амьдралаа дадлага, туршилтанд зориулсан тэрээр электродинамикийн хамгийн сонирхолтой үзэгдлүүдийн нэг болох онолын таамаглалаараа олон улсад хүлээн зөвшөөрөгдсөн.

Хувь тавилантай осол

Виктор Георгиевич Веселаго 1929 оны 6-р сарын 13-нд Украинд төрсөн бөгөөд түүний хэлснээр тодорхой үе хүртэл физик сонирхдоггүй байв. Дараа нь хүний амьдралын чиг хандлагыг төдийгүй эцсийн эцэст шинжлэх ухааны хөгжлийн векторыг өөрчилсөн эдгээр хувь тавилантай ослын нэг нь болжээ. Долдугаар ангид байхдаа хүү өвдөж, цагийг өнгөрөөхийн тулд бүх номыг дараалан уншиж эхлэв. Тэдний дунд "Радио гэж юу вэ?" Кина, үүнийг уншсаны дараа сургуулийн сурагч радио инженерчлэлийг нухацтай сонирхож эхэлсэн. Аравдугаар ангиа төгсөөд их сургуулиа сонгох тухай асуудал гарч ирэхэд Москвагийн их сургуульд физик, технологийн шинэ анги нээгдэж байгаа бөгөөд тэнд бусад мэргэжлүүдээс гадна радиофизикийн тэнхим нээгдэж байгааг манай нэг найз ярьж байсан.

Москвагийн Улсын Их Сургуулийн Техникийн факультетэд элсэгчид есөн шалгалтын "марафон" -ыг тэсвэрлэх шаардлагатай байв. Тэдгээрийн хамгийн эхэнд - бичмэл математик - Веселаго "хоёр" авсан ... Өнөөдөр тэрээр энэ "ичих" -ийг зүгээр л эргэлзэж, асар олон үзэгчдийн дунд өөрийгөө олж, жинхэнэ утгаараа "хоёр"-ын үр тариа шиг санагдсантай холбон тайлбарлаж байна. элс. Маргааш нь түүнийг бичиг баримтаа авахаар ирэхэд деканы орлогч Борис Осипович Солоноутс (түүнийг зүгээр л араар нь BOS гэж нэрлэдэг байсан) дараагийн шалгалтанд ирэхийг зөвлөв. Нэгэнт алдах зүйл байхгүй тул залуу үүнийг л хийсэн. Би бусад бүх найман шалгалтыг шууд А-тай тэнцэж, тэнцсэн. Хожим нь, олон жилийн дараа ийм "ялагдагчид" нэлээд олон байсан нь тогтоогдсон бөгөөд деканийн газар анхны шалгалтын үр дүнд үндэслэн өргөдөл гаргагчдыг шалгахгүй байхаар шийджээ.

Дараа нь Виктор Георгиевич одоо амьдралынхаа хамгийн аз жаргалтай үе гэж нэрлэдэг дөрвөн жилийн суралцах хугацаа байв. Оюутнуудад Петр Леонидович Капица, Лев Давидович Ландау зэрэг нэрт зүтгэлтнүүд лекц уншив... Виктор Веселаго зуны дадлагаа Крым дахь радио одон орон судлалын станцад өнгөрөөж, түүний захирал, FIAN-ийн ажилтан, профессор Семён Эммануилович Хайкинтай уулзав. Тэр бол "Радио гэж юу вэ?" Номыг бичсэн хүн нь Кин хэмээх хочоор гарын үсэг зурсан юм.

1951 онд Москвагийн Улсын Их Сургуулийн Физик-Технологийн факультетийг хааж, Москвагийн Физик, Технологийн Дээд Сургуульд "өссөн" бөгөөд хуучин Физик, Технологийн факультетийн оюутнуудыг бусад факультетэд хуваарилав. Виктор Георгиевич Москвагийн Улсын Их Сургуулийн Физикийн факультетэд суралцаж, албан ёсоор төгссөн боловч өөрийгөө Физик, технологийн дээд сургуулийн төгсөгч гэж үздэг. Веселаго Физикийн дээд сургуульд Александр Михайлович Прохоровтой хамт диссертаци хамгаалсан. П.Н.Лебедев, дараа нь түүний удирдлаган дор үргэлжлүүлэн ажилласан. Эхлээд FIAN-д, 1982 оноос өнөөдрийг хүртэл түүнээс гарсан Ерөнхий физикийн хүрээлэнд (Одоо А.М. Прохоровын нэрийг авсан IOFAN).

"Соленоид" барих

Хэт хүчтэй соронзон орныг олж авахын тулд 1960-аад онд Лебедевийн физикийн дээд сургууль "Соленоид" хэмээх суурилуулалтыг барьж байв. GIPRONII дизайн хийхэд оролцсон боловч Виктор Георгиевич төслийн гол элементүүдийг өөрөө боловсруулсан. Тэрээр шинжлэх ухааны амжилтаас гадна түүний хамгийн чухал ололтуудын нэг нь хүнд техник бүхий тэргийг доод давхарт авчрах боломжийг олгосон налуу зам байсан гэж тэр одоо ч итгэдэг. Хүчтэй соронзон орныг бий болгох байгууламжийг бий болгосныхоо төлөө Веселаго нь Лебедевийн физикийн хүрээлэн болон бусад шинжлэх ухааны байгууллагын ажилтнуудын хамт 1974 онд Төрийн шагнал хүртжээ.

Зүүн ба баруун

1960-аад онд Виктор Георгиевич хагас дамжуулагч ба ферромагнет зэрэг материалыг сонирхож эхэлсэн. 1967 онд Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) сэтгүүлд тэрээр "ε ба μ-ийн нэгэн зэрэг сөрөг утгатай бодисын электродинамик" гэсэн өгүүлэл нийтлүүлсэн бөгөөд энд "сөрөг хугарлын илтгэгч n бодис" гэсэн нэр томъёог анх нэвтрүүлсэн. тэдгээрийн боломжит шинж чанарыг тодорхойлсон.

Эрдэмтний тайлбарласнаар хагас дамжуулагчийн шинж чанарыг epsilon (ε) - диэлектрик тогтмол, соронзон шинж чанарыг mu (μ) - соронзон нэвчилтийн утгаар тодорхойлдог. Эдгээр хэмжигдэхүүнүүд нь ихэвчлэн эерэг байдаг, гэхдээ ε сөрөг, μ эерэг, эсвэл эсрэгээр бодисууд мэдэгдэж байна. Веселаго гайхаж: Хэрэв хоёр хэмжигдэхүүн сөрөг байвал юу болох вэ? Математикийн үүднээс энэ боломжтой, гэхдээ физикийн үүднээс авч үзвэл? Виктор Георгиевич ийм төлөв нь байгалийн хуультай зөрчилддөггүй гэдгийг харуулсан боловч ийм материалын электродинамик нь тэгээс их байх үеийнхээс мэдэгдэхүйц ялгаатай байдаг. Юуны өмнө тэдгээрт цахилгаан соронзон чичиргээний фаз ба бүлгийн хурд нь янз бүрийн чиглэлд (хэвийн орчинд - нэг чиглэлд) чиглэгддэг.

Веселаго цахилгаан соронзон хэлбэлзлийн тархалтыг тодорхойлдог гурван векторын харьцангуй байрлалд үндэслэн сөрөг хугарлын илтгэгчтэй материалыг "зүүн гартай", эерэг хугарлын илтгэгчтэй материалыг "баруун гартай" гэж нэрлэсэн. Ийм хоёр зөөвөрлөгчийн зааг дээрх хугарал нь z тэнхлэгтэй харьцуулахад тусгай байдлаар явагддаг.

Виктор Георгиевич санаагаа онолын хувьд үндэслэл болгосны дараа тэдгээрийг практикт, ялангуяа соронзон хагас дамжуулагч дээр хэрэгжүүлэхийг хичээсэн. Гэсэн хэдий ч шаардлагатай материалыг авах боломжгүй байсан. Зөвхөн 2000 онд АНУ-ын Сан Диего дахь Калифорнийн их сургуулийн хэсэг эрдэмтэд нийлмэл орчин ашиглан сөрөг хугарал боломжтой гэдгийг баталжээ. Виктор Веселагогийн судалгаа нь шинжлэх ухааны шинэ чиглэлийн үндэс суурийг тавиад зогсохгүй (Д. Пандри, Д. Смит. Супер линзийг хайж олохыг үзнэ үү) мөн бодисын электродинамикийг тодорхойлсон зарим физик томъёог тодруулах боломжтой болгосон. Сурах бичигт өгөгдсөн хэд хэдэн томъёог зөвхөн соронзон бус ойролцоо гэж нэрлэгддэг, өөрөөр хэлбэл соронзон нэвчилт нь нэгдмэл байдалтай тэнцүү байх үед, тухайлбал, соронзон бус материалын онцгой тохиолдолд хамаарна. Гэхдээ соронзон нэвчилт нь нэгдмэл эсвэл сөрөг байдлаас ялгаатай бодисуудын хувьд бусад ерөнхий илэрхийлэл хэрэгтэй. Веселаго мөн энэ нөхцөл байдлыг онцлон тэмдэглэсэн нь түүний ажлын чухал үр дүн гэж үздэг.

Ирээдүй рүү алх

Зөгнөлийн нийтлэлийн дараа 5-6 жил тутамд сэдвээ өөрчлөх зарчмыг баримталдаг судлаач соронзон шингэн, фото соронзон, хэт дамжуулагч зэрэг шинэ чиглэлүүдийг сонирхож эхлэв.

Ерөнхийдөө ФИАН-ИОФАН-д байх хугацаандаа тэрээр аспирантаас шинжлэх ухааны доктор, хүчтэй соронзон орны тэнхимийн эрхлэгч хүртэл “Зөвлөлтийн эрдэмтэн”-ийн жишиг замыг туулсан тухайгаа дурссан байдаг. 1980-аад оны сүүлчээр 5-7 өөр чиглэлд 70 орчим хүн ажиллаж байсан. Уг нь тус тэнхим нь нэг хүрээлэнгийн доторх жижиг институт байсан бөгөөд энэ хугацаанд 30 гаруй шинжлэх ухааны нэр дэвшигчдийг төрүүлсэн.

Одоо Виктор Георгиевич нэрэмжит IOFAN-ийн хүчтэй соронзон орны хэлтсийн соронзон материалын лабораторийг удирдаж байна. A. M. Прохорова. "Сөрөг хугарлын илтгэгчтэй орчны электродинамикийн үндэс" цуврал бүтээлийн төлөө 2004 онд академич В.А. Фока.

Виктор Георгиевич Москвагийн Физик технологийн дээд сургуульд 40 гаруй жил багшилжээ. Одоо тэрээр Физик, эрчим хүчний асуудлын факультетийн Хэрэглээний физикийн тэнхимийн профессор бөгөөд "Хэлбэлзлийн физикийн үндэс" хичээлийг зааж, Ерөнхий физикийн тэнхимд семинар, лабораторийн хичээл явуулдаг.

В.Г.Веселаго нь шинжлэх ухааны өргөн хүрээтэй сонирхолтой эрдэмтдийн ховор төрөлд багтдаг. Тэрээр маш сайн онолч, нэгэн зэрэг туршилтын физикч, инженер, хүчтэй соронзон орон бүхий суурилуулалтын дизайнер юм. Мөн тэрээр МИПТ-д ерөнхий физикийн хичээл заахад асар их хувь нэмэр оруулж, олон оюутнуудад зөвлөсөн профессорын хувьд авьяаслаг нэгэн. Эрдэмтний эдгээр шинж чанарууд нь Виктор Георгиевичийн зан чанарыг сэтгэл татам болгодог.

World Wide Web-ийн халдлага

Сүүлийн 15 жилийн хугацаанд физикч өөрийн сонирхлын хүрээг дахин өөрчилж, эс тэгвээс тэлж, сүлжээний хоёр төслийн санаачлагч болжээ.

1993 онд "Инфомаг" үйлчилгээг зохион байгуулж, шинжлэх ухаан, техникийн сэтгүүл, гадаадын шинжлэх ухааны цахим мэдээллийн товхимолыг эрдэмтдийн дунд түгээдэг. IOFAN нь интернэтэд холбогдсон анхны хүмүүсийн нэг болсноос бүх зүйл эхэлсэн. Веселаго анхны цахим шуудангийн хаягаа олж авсны дараа физикийн теле хурал сонирхож, мэдээллийн товхимол хүлээн авч эхлэв. Физикийн мэдээний шинэчлэлт, тэр үүнийг хамтран ажиллагсаддаа дамжуулсан. Дараа нь тэрээр агуулга болон бусад шинжлэх ухааны сэтгүүлүүдийг түгээх ажлыг зохион байгуулав. Infomag үйлчилгээнд мэдээлэл өгсөн анхны хэвлэлүүд нь Туршилтын ба онолын физикийн сэтгүүл (JETP), JETP-д бичсэн захидал, Багаж ба туршилтын техникүүд юм. Одоо жагсаалтад 150 гаруй зүйл багтсан байна.

Infomag-ийн амжилт нь 1998 онд оршин тогтнож эхэлсэн Оросын анхны олон сэдэвт цахим шинжлэх ухааны сэтгүүл болох "Орос улсад судалгаа хийсэн" Веселагогийн хоёр дахь "тархины хүүхэд" -ийг бий болгоход хувь нэмэр оруулсан. Энэ нь зөвхөн цахим хэлбэрээр хэвлэгддэг бөгөөд жилд байгалийн болон хүмүүнлэгийн чиглэлээр 250 орчим өгүүлэл нийтэлдэг.

Виктор Георгиевичийн хэлснээр Орос улсад шинжлэх ухааны цахим хэвлэлүүдийн хэрэгцээ нь зөвхөн бие даасан нэгж төдийгүй хэвлэмэл хэвлэлийн онлайн хувилбаруудын хүрээнд маш их байна. Орос улсад шинжлэх ухаан, техникийн хэдэн зуун сэтгүүл хэвлэгддэг боловч тэдгээрийн дийлэнх нь цахим хэлбэрээр байдаггүй тул дотоодын мэргэжилтнүүд хамтран ажиллагсдынхаа ажлын үр дүнг шуурхай авах боломжгүй байдаг нь үр дүнтэй, үр дүнтэй ажиллахад саад учруулж байна. эрдэмтдийн хоорондын шуурхай яриа хэлэлцээ.