Ujemny współczynnik załamania światła

Ujemny współczynnik załamania światła - metamateriały

Z lewej pole elektryczne powoduje ruch elektronów po liniach prostych, a z prawej w polu magnetycznym elektrony poruszają się po okręgu

jest , która w próżni przemieszcza się z prędkością prawie 300000km/s. Fala ta jest rozchodzącym się w przestrzeni zmiennym polem elektrycznym i magnetycznym. Gdy fala elektromagnetyczna (na przykład promień światła) przechodzi przez ośrodek, na elektrony w tworzących go atomach lub cząsteczkach działa siła, która wprawia je w ruch. Wzbudzając cząstki, fala oddaje część swojej energii, co wpływa na jej rozchodzenie się. Pole elektryczne wprawia elektrony w ruch drgający, a pole magnetyczne w ruch po okręgu. W związku z tym reakcje elektronów w materiale fizycy opisują za pomocą dwóch parametrów. Względna przenikalność elektryczna ε₀ określa, ile razy siła oddziaływania elektrycznego w danej materii jest mniejsza od siły oddziaływania w próżni. Jest zatem miarą tego, jak silnie ładunki elektryczne wewnątrz materii reagują na zewnętrzne pole elektryczne. Większość substancji charakteryzuje się dodatnią wartości przenikalności elektrycznej czyli to zmienione przez substancje pole nadal ma ten sam zwrot co pole zewnętrzne.

Elementy metamateriału: prostoliniowe druty (przewodniki) i rezonatory z przeciętym rdzeniem (SRR-y), czerwone strzałki wskazują ruch elektronów.

Względna przenikalność magnetyczna μ₀ określa, jak zmienia się pole magnetyczne w przestrzeni wypełnionej danym materiałem w porównaniu do pola magnetycznego, jakie istniałoby w próżni przy tym samym zewnętrznym źródle pola magnetycznego. Dla wszystkich substancji występujących w przyrodzie względna przenikalność magnetyczna jest dodatnia.
Parametrem definiującym sumaryczną optyczną reakcję ośrodka jest współczynnik załamania n określający ile razy wolniej porusza w danym ośrodku się światło niż w próżni. Obliczamy go jako pierwiastek z iloczynu względnej przenikalności elektrycznej i magnetycznej.
Dla ośrodków przezroczystych takich jak szkło lub woda wszystkie trzy uprzednio omówione wielkości są dodatnie. Wtedy światło przechodząc z próżni lub powietrza (powietrze ma tylko nieznacznie inne parametry niż próżnia) do ośrodka światło załamuje się ku normalnej, zgodnie z prawem załamania i iloraz sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest równy współczynnikowi załamania światła dla danego ośrodka. Oczywiście gdy światło przechodzi z ośrodka do próżni załamuje się od normalnej. Z takich substancji tworzy się soczewki i inne elementy optyczne.

W ośrodku o dodatnim współczynniku (po lewej) załamania poszczególne maksima impulsu fal elektromagnetycznych (kolor fioletowy) poruszają się w tę samą stronę co ogólny kształt impulsu (zielony) i kierunku przekazu energii (niebieski. W ośrodku o ujemnym współczynniku maksima fali elektromagnetycznej poruszają się w kierunku przeciwnym do kształtu impulsu i niesionej przez niego energii.

Mniejsza od zera wartość ε₀ i μ₀ oznacza, że elektrony, które są wewnątrz ośrodka, poruszają się w przeciwną stronę niż zwrot działającej na nie siły wytworzonej przez pole elektryczne czy też magnetyczne. Tak się dzieje w metalach, w których gaz elektronów swobodnych wykonuje jakby swoje naturalne drgania. Jeśli częstotliwość fali elektromagnetycznej nie przekroczy częstotliwości tych własnych drgań elektronów, drgania te na tyle skutecznie ekranują pole elektryczne fali, że nie pozwalają jej wniknąć w głąb metalu, a wręcz wytwarzają pole skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego. W rezultacie przenikalność elektryczna takiego materiału jest ujemna. Nie mogąc wniknąć w głąb metalu, promieniowanie elektromagnetyczne ulega odbiciu od powierzchni metalu, a on sam uzyskuje charakterystyczny połysk.

Schemat struktury metamateriału

Co by się stało gdyby obie przenikalności były ujemne? Takie pytanie zadał w 1967 roku rosyjski fizyk Wiktor Wiesiełago. Okazuje się, że wtedy współczynnik załamania takiego ośrodka jest ujemny i światło załamuje się zupełnie inaczej niż wynika to ze zwykłego prawa załamania (patrz rysunek). Wtedy co prawda energia fali elektromagnetycznej jest przenoszona do przodu ale maksima fali elektromagnetycznej poruszają się w kierunku przeciwnym do kształtu impulsu i niesionej energii. Takich materiałów nie ma w przyrodzie (nie ma substancji z ujemną przenikalnością magnetyczną) i dlatego idea materiałów z ujemnym współczynnikiem załamania została odłożona na półkę. Dopiero na przełomie wieku XX i XXI udało się opisać, a następnie zbudować sztuczne struktury mające ujemny współczynnik załamania światła, czyli również ujemne przenikalności elektryczne i magnetyczne. Wykorzystano tutaj fakt, że przenikalność elektryczna i magnetyczna nie są wielkościami charakteryzującymi atomy i cząsteczki, z których materiały są zbudowane. Opisują one reakcję całej struktury, pod warunkiem, że rozmiary struktury są mniejsze od długości fali padającego promieniowania. Skonstruowano więc sztuczne mikroskopijne struktury tak, by ich uśrednione odpowiedzi na pojawienie się fali elektromagnetycznej mogły być opisane za pomocą ujemnych wartości obu przenikalności, a więc taka struktura ma ujemny współczynnik załamania. Nazwano je matamateriałami (przedrostek meta oznacza z greckiego po, czyli są to struktury po naturalnych materiałach).

Po lewej załamanie promienia świetlnego przy przejściu światła z powietrza do zwykłego ośrodka np. wody, po prawej załamanie przy przejściu do metamateriału

W metamateriałach uzyskuje się potrzebne właściwości budując maleńkie obwody elektryczne, które naśladują magnetyczne lub elektryczne właściwości materiału. Ujemną przenikalność elektryczną ma bardzo dużo metali więc wystarczy zostawić miejsce na elementy dające ujemną odpowiedź magnetyczną. Zamiast jednorodnego metalu montuje się na płytce z materiału izolacyjnego wiele cienkich metalowych drucików, ułożonych w sześcienną kratownicę. Zmieniając średnicę drucików i odległości miedzy nimi można regulować wartości częstotliwości, dla których struktura będzie miała ujemną przenikalność elektryczną. Aby uzyskać ujemną przenikalność magnetyczną w najprostszym przypadku konstrukcja składa się z dwóch przerwanych pierścieni, wykonanych z dobrego przewodnika (np. złota lub srebra ewentualnie miedzi) i rozdzielonych warstwą innego materiału. Taki układ nazywany jest rozszczepionym rezonatorem kołowym (w skrócie SRR od ang. Split-ring rezonator). Dzięki przerwom w pierścieniach i odstępowi między nimi ma on pewną pojemność tak jak kondensator, a ponieważ pierścienie wykonane są z materiału przewodzącego ma też określoną indukcyjność czyli zdolność do generowania prądów. Zmiany zewnętrznego pola magnetycznego, których źródłem jest fala elektromagnetyczna, powodują przepływ prądu w pierścieniach, a ten prąd wytwarza pole magnetyczne. Okazuje się, że przy odpowiedniej konstrukcji, wytworzone przez układ pole magnetyczne skierowane jest przeciwnie do pola zewnętrznego. Skutkuje to ujemną przenikalnością magnetyczną materiału zawierającego takie elementy. Ustalając parametry układu metamateriału można uzyskać ujemną odpowiedź magnetyczną w dość szerokim zakresie częstotliwości fal elektromagnetycznych.

Ołówek zanurzony w wodzie wydaje się zagięty (po lewej), natomiast zanurzony w ośrodku o ujemnym współczynniku załamania wyglądałby jak wygięty na zewnątrz.

Naniesiona na płytki z materiału izolującego elementy SRR wraz z prostoliniowymi przewodami tworzą strukturę, która dla fal o odpowiedniej częstotliwości (długości fali) zachowuje się jak materiał z ujemnym współczynnikiem załamania czyli jest metamateriałem. Aby móc opisać oddziaływanie materii z promieniowaniem za pomocą przenikalności elektrycznej i magnetycznej części składowe muszą być małych rozmiarów w porównaniu z długością fali elektromagnetycznej. Jako pierwsze więc powstały metamateriały dla o długości kilku centymetrów, wtedy metamateriały zbudowane były z elementów o kilkumilimetrowych rozmiarach. Wkrótce przyszła pora na mniejsze struktury. Pojawiły się coraz wymyślniejsze struktury o coraz mniejszych rozmiarach. W końcu stworzono strukturę o ujemnym współczynniku załamania dla światła widzialnego. Elementy tej struktury muszą mieć wymiary mniejsze od 250nm, ponieważ długość fali światła widzialnego zawiera się w przedziale od około 400nm do 700nm. Niestety na razie takie materiały zbyt dużo światła pochłaniają, ale trwają badania i jest nadzieja na postęp.

Przechodzenie światła przez płytkę równoległościenną wykonaną z materiału o dodatnim (po lewo) i ujemnym współczynniku załamania (po prawo), z której najprawdopodobniej będzie się kiedyś wykonywać "supersoczewki"

Metamateriały inaczej załamują światło (pokazują to rysunki, załamanie dla zwykłych rubstancji można obejżeć na filmikach w dziale "Doświadczenia domowe": i ), wiec patrząc na ołówek zanurzony w takim materiale widzielibyśmy jego dolny koniec nad powierzchnią cieczy skierowany na patrzącego. Ryba pływająca w cieczy o ujemnym współczynniku załamania wydawałaby się przemieszczać nad powierzchnią cieczy, podobnie jak cała zawartość zbiornika. Soczewka wypukła, wykonana z metamateriału rozprasza światło, wklęsła zaś skupia! Jest to na odwrót niż w przypadku zwykłych soczewek. Co więcej płasko równoległościenne płytki wykonane z metamateriału o odpowiedniej grubości i odpowiednich strukturach mogłyby skupiać promieniowane czyli zachowywać się jak soczewki. Dodatkowo w takich metamateriałowych soczewkach nie zachodziłaby dyfrakcja czyli ugięcie fali i można by oglądać obiekty mniejsze od długości fali (w zwykłych soczewkach zdolność rozdzielcza czyli możliwość rozróżniania oglądanych szczegółów niestety ograniczona

Soczewka z metamateriału skupiająca fale radiowe

jest dyfrakcją). Oprócz tego można by uzyskiwać ostre obrazy przedmiotów z różnych odległości. Z tego powodu takie elementy nazwane zostały "supersoczewkami". Aby skonstruować taką nową soczewkę najlepiej zastosować metamateriał o współczynniku n równym minus jeden. Nie jest to łatwe ale trwają prace nad wykonaniem odpowiedniej struktury. Na razie udało się już zbudować soczewkę z matamateriału dla .
Przyszłe zastosowanie metamateriałów jest ogromne. Budowa nowych, lepszych soczewek spowodowałaby, oprócz rewolucji w tradycyjnej optyce, budowę mniejszych elementów w przemyśle mikroelektronicznym za pomocą litografii optycznej. Być może będzie można gęściej zapisywać informacje na optycznym dysku DVD, zwiększając setki razy ilość danych zapisanych na dyskach optycznych. Innym fantastycznym zastosowaniem jest budowa z metamateriałów peleryny, która zapewniałaby niewidzialność czyli tak zwana "czapka-niewidka". Przy pomocy odpowiednich metamateriałów fala elektromagnetyczna może zostać zakrzywiana tak żeby ominąć otaczany obiekt i wrócić na dotychczasowy tor. Najbardziej zainteresowana taką technologią jest wojsko w celu ukrycia ludzi i obiektów przez wrogiem.

Opracowano na podstawie artykułów: "Metamorfoza soczewki", zamieszczonego w czasopiśmie "Świat nauki" ( 8/2006) i "Fizyka niewidzialności" zawartego w numerze 118 (jesień 2012) czasopisma .

« Poprzednia Następna »