CC BY
99
а НОВОСТИ НАУКИ
Электромагнитная «магия» сверхматериалов
22
ПРИНЦ Виктор Яковлевич -доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск).
Автор и соавтор 290 научных публикаций и 27 патентов
Ключевые слова: метаматериалы, отрицательный коэффициент преломления, сверхлинза, экран невидимости.
Key words: metamaterials, negative refractive index, superlens, invisibility shield
Метаматериалы (от греч. цеха - за пределами, сверх) - искусственно структурированные материалы с необычными свойствами, которые отсутствуют у природных материалов. В настоящее время разрабатываются электромагнитные, акустические, механические, сейсмические и квантовые метаматериалы.
Применение электромагнитных метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления уже позволило улучшить параметры антенн, фазированных антенных решеток, поляризаторов, фильтров, поглощающих покрытий - «черных дыр», неотражающих покрытий. Метаматериалы используются для разработки принципиально новых устройств - сверхлинз и экранов невидимости. Результаты, достигнутые в этой области, не только вошли в десятку выдающихся достижений первого десятилетия нашего века по версии журнала «Science», но и были признаны журналом «Materials Today» одними из десяти высших достижений материаловедения за последние 50 лет
Электромагнитные свойства обычных материалов определяются их атомами и молекулами, а точнее тем, как электроны в них взаимодействуют с электромагнитной волной. В отличие от обычных материалов, строительными блоками метаматериалов (сверхматериалов) являются более крупные, искусственно созданные объекты - электромагнитные резонаторы - обычно в виде металлических полосок, разорванных колец, спиралей, размеры которых существенно меньше длины волны. Когда частота падающей электромагнитной волны близка к резонансной, в резонаторах возникают достаточно большие токи, которые генерируют вторичное электромагнитное поле, усиливающее или ослабляющее исходную волну. Благодаря этому в метаматериалах все не так, как в обычных материалах. Коэффициент преломления может принимать отрицательные и практически нулевые значения, становятся обращенными эффекты Доплера и Вавилова-Черенкова. Можно не только задавать свойства метаматериалов, но и динамично их изменять, включая или выключая заданные резонаторы, тем самым, изменяя условия резонанса. Перспективы беспрецедентного управления электромагнитным излучением с помощью таких материалов послужили стимулом к интенсивной работе для большого числа научно-исследовательских лабораторий в мире, публикующих около 1000 статей в год.
Потенциальные способы применения метаматериалов охватывают все области, в которых используется электромагнитное излучение - от космических систем до медицины. Фактически формируется целая новая отрасль. Министерство обороны США финансирует более 120 малых предприятий и фирм по разработке приборов и устройств на основе метаматериалов (SBIR / STTR program, U. S. Department of Defence). Благодаря усилиям разработчиков метаматериалов разных стран уже решены многие проблемы
23
Примеры формирования трехмерных микрорезонаторов при отсоединении от подложки напряженных полосок полупроводник-металл. Технология разработана в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН
а
НОВОСТИ НАУКИ
Схематичная иллюстрация преломления света в системах: воздух-обычный материал с положительным коэффициеном преломления (а); воздух-метаматериал с отрицательным коэффициентом преломления (б)
для терагерцовой области, в которой отсутствовали устройства управления излучением. Революционные изменения ожидаются по завершении разработок сверхлинз с разрешением много меньшим длины волны излучения, поляризаторов и экранов невидимости, в которых свет, благодаря особым условиям преломления, огибает окруженный метаматериалом предмет, делая его невидимым.
Теоретические основы электромагнитных метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления были заложены российскими учеными и, прежде все-24 го, профессором В. Г. Веселаго, который более 40 лет назад (!) предположил существование метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления и описал концепцию сверхлинз. К сожалению, этот выдающийся результат не нашел тогда своего практического применения, показав, в очередной раз, что сила российских ученых - в фундаментальной науке, а слабость - в технологии, для развития которой необходимо оборудование и интерес промышленности к новым разработкам.
Сейчас теоретические работы в России продолжаются А. Н. Лагарьковым, А. К. Сарычевым, А. П. Вино-
градовым (Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, Москва), П. А. Беловым (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) и другими.
Практический интерес к метаматериалам инициировал в 2000 г. профессор Джон Пендри (Англия), и в том же году американский ученый Дэвид Смит с сотрудниками создал метаматериал с отрицательным коэффициентом преломления в СВЧ-области. В 2006 г. Джон Пендри с коллегами и Ульф Леонхард сообщили о возможности создания экранов невидимости, а спустя пять месяцев Дэвид Смит и Дэвид Шуриг создали такой экран, работающий на резонансной частоте в СВЧ-области.
Выбор СВЧ-области в первых работах не случаен: при сантиметровой длине волны плоские резонаторы должны иметь размер около миллиметра и могут быть изготовлены без привлечения высоких техно логий.
В настоящее время значительные усилия в мире направлены на создание терагерцовых, инфракрасных и оптических метаматериалов и систем, для которых
Схематичная иллюстрация огибания лучами предмета, окруженного метаматериалом
требуются массивы периодично расположенных резонаторов микронных и нанометровых размеров. В России такой активности почти нет. Это связано с отсутствием в научных группах необходимого оборудования: установок микро- и нанолитографии, систем для прецизионной химической обработки материалов и измерительной техники.
В новосибирском Академгородке, благодаря объединению в рамках интеграционного проекта возможностей трех институтов Сибирского отделения РАН - Института физики полупроводников, Института ядерной физики и Института неорганической химии, удалось разработать новые терагерцовые метаматериалы, превосходящие по функциональным параметрам зарубежные аналоги. В них вместо плоских резонаторов, применяемых в качестве индивидуальных резонаторов, были использованы трехмерные.
Трехмерные резонаторы в виде микроспиралей позволили не только упростить реализацию отрицательного коэффициента преломления и достичь рекордной оптической активности метаматериала, но и открыть возможность динамического управления его свойствами. При толщине слоя спиралей в десять
раз меньшей длины волны плоскость поляризации проходящего электромагнитного излучения вращается на угол до 36°.
Важно отметить, что разработанная технология самоформирования трехмерных резонаторов с размерами от сотен микрон до нескольких нанометров, позволяет создавать изотропные, анизотропные киральные, магнитные, гибкие и не гибкие метаматериалы для широкого диапазона электромагнитного спектра излучения - от СВЧ до оптического.
Очевидно, что в ближайшие годы следует ожидать создания принципиально новых приборов и устройств на основе метаматериалов, возможности которых только начинают раскрываться и использоваться.
25
Пендри Дж, Смит Д. В поисках суперлинзы // В мире науки. 2006. № 11.
Shalaev V. М., Cai W. Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications. Springer Science+Business Media, 2010.
